Введение к работе
Актуальность. Развитие и интеллектуализация современных сложных, открытых, распределенных организационно-технических систем, в том числе, гибких производственных систем и роботизированных комплексов, компьютерно-интегрированных производств и сетевых виртуальных предприятий, требует разработки общей агенто-ориентированной методологии, в русле которой рассматриваемые системы и их компоненты интерпретируются как когнитивные агенты. Важнейшей способностью таких агентов является интенсивное информационное взаимодействие с многокомпонентной внешней средой, в которой присутствуют как разнообразные физические объекты, так и другие (естественные и искусственные) агенты. Соответственно, возникают проблемы анализа информационных потребностей автономных агентов, исследования и моделирования информационных структур и процессов, связанных с поиском, получением, накоплением и обработкой информации искусственными агентами, изучения методов формирования оценок, мнений и знаний искусственными когнитивными агентами (ИКА) на основе перерабатываемой ими информации. Здесь ключевую роль играют: исследование и разработка адекватных средств представления знаний агентов (в том числе, знаний, относящихся к рассмотрению плохо определенных предметных областей и слабоструктурированных задач): интеграция различных источников знаний; построение концептуальных и семиотических моделей предметных областей.
Когнитивное моделирование поведения искусственных агентов предполагает спецификацию и формализацию их взаимодействий. Так реализация взаимодействия между естественными и искусственными агентами (в частности, диалога «человек-искусственный агент») требует разработки специальных методов, языков и моделей общения (например, методов распознавания и синтеза речи, моделей и протоколов диалога между человеком и роботом, моделей взаимопонимания на основе системы онтологии). Кроме того, для успешного функционирования ИКА требуется развитие специальных методов управления ими, включая методы информационного, рефлексивного и диалогового управления.
Все вышеизложенное демонстрирует актуальность темы диссертационной работы, посвященной проблемам моделирования информационного взаимодействия искусственного когнитивного агента с внешней средой. При этом ИКА получает информацию из трех источников: из собственной базы данных и знаний, от человека в процессе диалога «человек-искусственный агент» и от сенсоров.
Объектом исследования являются процессы информационного взаимодействия и интеграции в сложных организационно-технических системах, рассматриваемых как интеллектуальные агенты и многоагентные системы. В качестве примеров таких систем выбраны физические агенты: гибкая производственная система с автономными транспортными роботами и
интеллектуальный робот, функционирующий на основе целеуказаний человека в экстремальной среде с заранее неизвестными характеристиками.
Предмет исследования составляют проблемы логико-лингвистического моделирования когнитивных функций автономного агента, работающего в неточно и неполностью определенной среде, с использованием методов гранулирования информации, онтологии, псевдофизических логик и обобщенных ограничений.
Цель диссертационной работы заключается в разработке моделей, методов и программного обеспечения для поддержки информационного взаимодействия интеллектуального агента с внешней средой на основе системы онтологии, псевдофизических логик и обобщенных ограничений.
Для достижения общей цели диссертации в ней решаются следующие основные задачи:
развитие единого агенто-ориентированного подхода к моделированию и проектированию активных искусственных объектов, описание общей архитектуры и основных свойств когнитивного агента, включая его способность к грануляции информации;
построение базовой модели взаимодействия искусственного когнитивного агента с внешней средой; разработка на ее основе гибкой, двухрежимной схемы навигации мобильного агента и общей схемы диалогового управления в системе «человек-искусственный агент»;
анализ методов грануляции информации в процессах взаимодействия ИКА с внешней средой, в том числе методов, опирающихся на нестандартные множества, лингвистические переменные, нечеткую логику и обобщенные ограничения;
разработка системы онтологии для ИКА, в первую очередь, метаонтологии грануляции информации и онтологии пространства, в котором работает агент; развитие мереотопологического подхода к моделированию областей пространства;
формализация онтологии на основе нечетких алгебраических систем с использованием математического аппарата нечетких отношений и нечетких графов;
анализ подходов, методов и средств построения псевдофизических логик; выделение и изучение свойств основных пространственных отношений; изучение и разработка методов и алгоритмов обработки нечеткой лингвистической пространственной информации, используемой агентом;
создание модели гранулярного управления искусственным когнитивным агентом на основе методов формализации и распространения ограничений;
разработка программной реализация модели распространения ограничений в средах Matlab 7.0 и РДО; сопоставление подхода на базе распространения ограничений с нечетким логическим выводом; построение программной модели интеллектуального агента и ее экспериментальные исследования;
разработка общего принципа и схемы реализации когнитивного транспортного робота-электромобиля; построение примера
функционирования когнитивного транспортного робота в составе гибкой
производственной системы предприятия.
В ходе решения этих задач при подготовке диссертации автор опиралась на основополагающие труды ведущих отечественных и зарубежных ученых по теоретической информатике и искусственному интеллекту (А.Н.Колмогоров, А.И.Мальцев, Д.А.Поспелов, Э.В.Попов, Г.С.Осипов, О.П.Кузнецов, В.К.Финн, В.Н.Вагин, А.П.Еремеев, В.М.Курейчик, В.Л.Стефанюк, И.Б.Фоминых, Л.Заде, Н.Нильсон, Г.Саймон, Дж.Люгер, С.Рассел и П.Норвиг), важнейшие работы по ряду специальных областей информатики и ИИ, таких как:
онтологии, псевдофизические логики, модели пространственных рассуждений (Ст.Лесьневский, А.Тарский, Т.Грубер, Н.Гуарино, Р.Мизогучи, А.Варзи, Л.Вье, В.Куйперс, Б.Смит, М.Айелло, Д.А.Поспелов, Г.С.Плесневич, Т.А.Гаврилова, А.С.Клещев, А.В.Смирнов, С.В.Смирнов, и др.), основанные на методах математической теории отношений (Ю.А.Шрейдер, И.З.Батыршин, В.П.Кутепов и В.Н.Фальк) и теории графов (К.Берж, А.А.Зыков, О.Оре, Ф.Харари, Л.С.Берштейн, Г.С.Плесневич, и др);
теория диалоговых систем (Т.Виноград, Д.А.Поспелов, Э.В.Попов, А.П.Ершов, Л.Т.Кузин, А.Б.Преображенский, Г.В.Рыбина, А.С.Нариньяни, П.И.Соснин, А.В.Заболеева-Зотова, и др.);
теория нечетких множеств, лингвистических переменных и грануляции информации (Л.Заде, Д.Дюбуа, А.Прад, В.Педрич, Б.Турксен, В.Новак, Ю.Яо, А.Н.Аверкин, Р.А.Алиев, И.З.Батыршин, Н.Г.Ярушкина, С.М.Ковалев, А.Б.Петровский, В.Б.Тарасов, и др.);
теория агентов и многоагентных систем (К.Хьюитт, М.Вулдридж, Н.Дженнингс, М.Дженесерет, Ж.Фербе, В.Субраманьян, И.Шоэм, В.И.Городецкий, И.В.Котенко, П.О.Скобелев, Л.А.Станкевич, В.Б.Тарасов, В.Ф.Хорошевский, и др.);
интеллектуальные роботы и системы управления: (Е.П.Попов, Д.Е.Охоцимский, И.М.Макаров, И.А.Каляев, Ф.Куафе, В.М.Лохин, Э.Накано, В.Е.Павловский, А.К.Платонов, А.В.Тимофеев, Е.И.Юревич, А.С.Ющенко, Д.А.Добрынин, В.Э.Карпов, и др.).
Методы исследования. При выполнении диссертации использованы понятия и методы теории множеств и абстрактной алгебры, теории отношений и теории графов, информатики и искусственного интеллекта, теории агентов и многоагентных систем, нечеткой логики и лингвистических переменных, грануляции информации и обобщенных ограничений, модели онтологии, мереологические, топологические и мереотопологические подходы, аппарат псевдофизических логик.
Достоверность научных результатов подтверждена теоретическими выкладками, данными компьютерного моделирования, а также сравнением полученных результатов с результатами, приведенными в научной литературе.
Основными элементами научной новизны диссертационной работы являются:
представление искусственного когнитивного агента как системы, основанной на грануляции и градуировании информации; анализ и интеграция основных процессов информационного взаимодействия ИКА с внешней средой с целью реализации диалогового управления и гибкой системы навигации;
разработка методики и способов грануляции пространственных отношений;
формирование системы онтологии для функционирования искусственного когнитивного агента; введение общей схемы построения гранулярных онтологии и формального представления онтологии на базе нечетких алгебраических и реляционных систем; разработка методики построения нечетких онтологии
создание и исследование информационных моделей взаимодействия ИКА с внешней средой на основе принципа грануляции информации с учетом неопределенностей различных типов;
разработка семейства пространственных логик применительно к процессам восприятия и представления агентом внешней среды на базе обобщенных ограничений; построение логики оценок для искусственного когнитивного агента;
разработка и реализация интегрированной системы гранулярного управления, расширяющей систему нечеткого управления.
Практическая ценность работы связана с развитием сквозной агенто-ориентированной методологии анализа, моделирования и проектирования сложных технических систем, состоящих из разнородных автономных компонентов (многоагентная модель интеллектуальной производственной системы и сети предприятий), построением моделей мобильных автономных роботов как искусственных когнитивных агентов. Рассмотренные в диссертации методы и модели грануляции информации в процессах целенаправленной деятельности могут применяться для интеллектуализации широкого круга технических устройств и систем, работающих в условиях неопределенности.
Пространственные логики, описывающие взаимодействие автономного агента с внешней средой, использованы при создании виртуального (программного) агента, функционирующего на основе обобщенных ограничений. Они могут также применяться при разработке мобильных роботов, функционирующих в экстремальных средах, и при построении автономных транспортных роботов, функционирующих в составе гибких производственных систем. Предложенные в диссертации схемы, методы и алгоритмы повышают эффективность информационного взаимодействия «человек-искусственный агент», в частности, при решении задач диалогового управления.
Предложенная в работе система онтологии, включающая метаонтологию грануляции и онтологию пространства, может использоваться не только для когнитивных агентов, но и для многих других классов технических объектов.
Реализация результатов. Автором разработана и реализована система обработки гранулярной информации на основе обобщенных ограничений, а также модель гранулярного управления в среде Matlab 7.0.
Основные результаты диссертации были получены при выполнении работ по грантам Российского фонда фундаментальных исследований № 07-01-00656, №08-01-00917 и №10-01-00844. Результаты работы были использованы в учебном процессе кафедры «Компьютерные системы автоматизации производства» МГТУ им. Н.Э. Баумана, Кафедры прикладной математики Московского энергетического института (технического университета), в НИР кафедры САПР Таганрогского технологического института Южного федерального университета. Акты об использовании результатов работы прилагаются в диссертации.
Апробация работы. По основным положениям и результатам диссертации были сделаны 16 докладов на следующих научных конференциях: ХШ-я Байкальская Всероссийская конференция «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, 7-17 июля 2008г.); Х1-я Национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием (КИИ-2008, Дубна, 20-24 сентября 2009г.); Научно-техническая конференция «Интеллектуальные системы и компьютерно интегрированные производства» (Москва, 26-27 января 2009г.); Междисциплинарный научный семинар «Экобионика» МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 9 апреля 2009г.); V-я Международная научно-практическая конференция «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте» (Коломна, 28-30 мая 2009г.); ХП-я Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям - (SCM'2009, Санкт-Петербург, 25-27 июня 2009г.); Fifth International Conference on Soft Computing, Computing with Words and Perceptions in System Analysis, Decision and Control (ICSCCW'2009, Famagusta, North Cyprus, 2009, September 2-4); Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям (AIS-IT'2009, Дивноморское, 2-9 сентября 2009г.); П-я Всероссийская конференция «Нечеткие системы и мягкие вычисления» (НСМВ-2009, Волгоград, 21-24 сентября 2009г.); V-я Международная конференция-форум «Информационные системы и технологии» (Минск, 16-17 ноября 2009г.); Х-я Международная научная конференция им. Т.А.Таран «Интеллектуальный анализ информации» (ИАИ-2010, Киев, 18-21 мая 2010г.); ХШ-я Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM'2010, Санкт-Петербург, 23-26 июня 2010г.); 1-я Международная молодежная конференция по интеллектуальным технологиям и системам (UM-rNTEL'2010, Осташков-Селигер, 27-30 июня 20 Юг); Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям (AIS-IT'2010, Дивноморское, 3-10 сентября 2010г.); ХП-я Национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием (КИИ-2010, Тверь, 20-24 сентября 20 Юг).
Публикации. Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 13 печатных работах, из них 1 статья в журнале, рекомендуемом ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, и 2 коллективные монографии.
На защиту выносятся:
1. Комбинированная двухрежимная модель навигации автономного
мобильного агента, включающая этап информационного (диалогового)
управления.
2. Концепция гранулярной метаонтологии, формализованное
представление онтологии на базе нечетких алгебраических систем, методика
построения нечетких онтологии.
3. Метод построения псевдофизических пространственных логик с
использованием обобщенных ограничений.
4. Модель гранулярного управления искусственным когнитивным агентом
на основе методов формализации и распространения ограничений.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (214 наименований) и пяти приложений. Она содержит 162 страницы основного текста (без приложений и списка литературы). В работе имеется 65 рисунков и 13 таблиц.
