Рыбина Технология построения динамических 2011
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Г.В. Рыбина, С.С. Паронджанов
ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
Москва 2011
УДК 004.8(075) ББК 32.813я7 Р93
Рыбина Г.В., Паронджанов С.С. Технология построения динамических интеллектуальных систем: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. 240 с.
Книга предназначена для поддержки дисциплин: «Динамические интеллектуальные системы» (каф. 22), «Проектирование кибернетических систем, основанных на знаниях» (каф. 22), «Базы данных и экспертные системы (введение в интеллектуальные системы)» (каф. 22), «Базы данных и экспертные системы» (каф. 28), «Интеллектуальные информационные системы» (ИИМ фак. У).
Даются основы теории и программная технология построения динамических интеллектуальных систем на примере динамических интегрированных экспертных систем, интеллектуальных агентов и многоагентных систем. Рассматривается их архитектура, приводятся базовые понятия, определения и классификации, описываются модельные и алгоритмические основы построения базовых компонентов, а также методы и технология представления и обработки знаний в динамических интеллектуальных системах. Важное внимание уделено современным инструментальным средствам поддержки разработки динамических интеллектуальных систем и практическим вопросам построения прототипов систем и их компонентов. Описаны примеры нескольких прототипов динамических систем различных классов.
Для студентов старших курсов, обучающихся по направлениям подготовки «Прикладная информатика», «Прикладная математика и информатика», «Автоматизированные системы обработки информации и управления», а также для аспирантов и специалистов, занимающихся проектированием динамических интеллектуальных систем.
Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензент д-р техн. наук, проф. А.П. Еремеев (НИУ «МЭИ»)
ISBN 978-5-7262-1565-5 |
© Национальный исследовательский |
|
ядерный университет «МИФИ», 2011 |
2
Содержание |
|
Предисловие.......................................................................................... |
7 |
Введение .............................................................................................. |
11 |
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ, МЕТОДОЛОГИИ И |
|
ТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ |
|
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ ................................................. |
16 |
1.1. Современные направления исследований в области |
|
динамических интеллектуальных систем......................................... |
16 |
1.1.1. Анализ направлений исследований в области |
|
динамических интегрированных экспертных систем...................... |
17 |
1.1.2. Анализ современных исследований в области |
|
многоагентных систем........................................................................ |
22 |
1.2. Теоретико-методологические основы построения |
|
динамических интегрированных экспертных систем...................... |
26 |
1.2.1. Основные понятия и определения ДИС............................. |
26 |
1.2.2. Особенности архитектуры динамических ИЭС................ |
28 |
1.2.3. Типовые неформализованные задачи для |
|
динамических ИЭС............................................................................. |
31 |
1.2.4. Требования, предъявляемые к базовым параметрам |
|
статических и динамических ИЭС.................................................... |
32 |
1.3. Методы построения подсистем моделирования |
|
внешнего мира в ДИС (на примере динамических ИЭС) ............... |
35 |
1.3.1. Общие положения имитационного моделирования......... |
35 |
1.3.2. Подходы к построению имитационной модели................ |
37 |
1.3.3. Интеграция ИМ и ЭС в ДИС ............................................. |
41 |
1.3.4. Внешнее и внутреннее описание СТС............................... |
42 |
1.3.5. Состав имитационной модели СТС.................................... |
43 |
1.3.6. Особенности построения ИМ............................................. |
45 |
1.3.7. РДО-метод интеллектуального имитационного |
|
моделирования.................................................................................... |
46 |
1.4. Построение динамических ИЭС на основе задачно- |
|
ориентированной методологии.......................................................... |
50 |
1.4.1. Особенности проблемы интеграции в ДИС...................... |
50 |
1.4.2. Построение имитационных моделей СТС для |
|
динамических ИЭС............................................................................. |
52 |
1.4.3. Модель интеграции имитационных моделей с ядром |
|
экспертной системы............................................................................ |
56 |
3 |
|
1.5. Теоретико-методологические основы построения |
|
многоагентных систем........................................................................ |
58 |
1.5.1. Основные подходы и принципы разработки МАС........... |
58 |
1.5.2. Структура МАС.................................................................... |
60 |
1.5.3. Определения и классификация агентов............................. |
60 |
1.5.4. Особенности архитектур интеллектуальных агентов....... |
65 |
1.5.5. Пример архитектуры интеллектуального агента.............. |
67 |
1.6. Онтологии в многоагентных системах................................. |
69 |
1.6.1. Основные понятия и определения...................................... |
69 |
1.6.2. Модель онтологии................................................................ |
71 |
Контрольные вопросы................................................................... |
73 |
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ |
|
ПОДДЕРЖКИ РАЗРАБОТКИ ДИНАМИЧЕСКИХ |
|
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ ................................................. |
75 |
2.1. Инструментальные средства построения динамических |
|
интегрированных экспертных систем............................................... |
75 |
2.1.1. Общие требования к функциональным возможностям |
|
инструментальных средств для поддержки разработки |
|
динамических интеллектуальных систем......................................... |
75 |
2.1.2. Инструментальная система G2 (Gensym Corp.) ................ |
86 |
2.1.2.1. Общая характеристика функциональных |
|
возможностей системы G2 ................................................................. |
86 |
2.1.2.2. Представление знаний и методы работы со знаниями |
|
средствами G2 ..................................................................................... |
88 |
2.1.2.3. Среда разработчика в системе G2 ................................. |
109 |
2.1.2.4. Интерфейс с внешним окружением.............................. |
117 |
2.1.3. Общая характеристика проблемно-ориентированных |
|
средств на базе G2............................................................................. |
122 |
2.1.3.1. G2 Optegrity ..................................................................... |
127 |
2.1.3.2. G2 NeurOn-Line ............................................................... |
128 |
2.1.3.3. G2 ReThink....................................................................... |
130 |
2.1.3.4. Integrity............................................................................. |
132 |
2.1.4. Характеристика базовых функциональных |
|
возможностей и архитектуры инструментального комплекса |
|
АТ-ТЕХНОЛОГИЯ........................................................................... |
133 |
2.1.4.1. Общие сведения о комплексе АТ-ТЕХНОЛОГИЯ...... |
133 |
4 |
|
2.1.4.2. Развитие инструментальной базы комплекса |
|
АТ-ТЕХНОЛОГИЯ для построения динамических ИЭС............. |
137 |
2.1.5. Современные инструментальные средства |
|
имитационного моделирования....................................................... |
143 |
2.1.5.1. Общая характеристика инструментальных средств |
|
имитационного моделирования....................................................... |
143 |
2.1.5.2. Анализ текущей версии среды имитационного |
|
моделирования RAO-Studio ............................................................. |
144 |
2.2. Инструментальные средства проектирования и |
|
реализации агентов и многоагентных систем................................ |
148 |
2.2.1. Анализ зарубежных инструментальных средств............ |
148 |
2.2.1.1. AgentBuilder..................................................................... |
148 |
2.2.1.2. Bee-gent ............................................................................ |
150 |
2.2.2. Система имитационного моделирования |
|
взаимодействия интеллектуальных агентов (ИМВИА) ................ |
151 |
Контрольные вопросы................................................................. |
159 |
РАЗДЕЛ 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ |
|
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ |
|
РАЗРАБОТКИ ДИНАМИЧЕСКИХ ИЭС, |
|
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ АГЕНТОВ И МАС................................ |
160 |
3.1. Примеры построения демонстрационных прототипов |
|
динамических ИЭС........................................................................... |
160 |
3.1.1. Прототип динамической ИЭС управления ядерным |
|
реактором «СУЗ ВВЭР-1000» (система управления и защиты |
|
реактора марки РБМК-1000)............................................................ |
160 |
3.1.2. Прототип динамической ИЭС управления локальной |
|
вычислительной сетью «умного дома»........................................... |
172 |
3.2. Примеры построения прототипов интеллектуальных |
|
агентов и МАС.................................................................................. |
185 |
3.2.1.Прототип МАС для решения задач контроля состояния |
|
химически опасных объектов города Москвы............................... |
185 |
3.2.2. Демонстрационный прототип МАС управления |
|
силами и средствами объектовой охраны....................................... |
202 |
Контрольные вопросы................................................................. |
214 |
Заключение........................................................................................ |
215 |
Список литературы........................................................................... |
216 |
5 |
|
Приложение 1. Методические указания для выполнения |
|
курсовой работы по дисциплине «Динамические |
|
интеллектуальные системы»............................................................ |
220 |
Приложение 2. Краткая характеристика имитационных моделей и |
|
лабораторных работ на базе RAO-Studio........................................ |
227 |
Указатель терминов.......................................................................... |
238 |
6
Предисловие
В основу данной книги положен теоретический и практический материал авторских курсов, впервые поставленных в НИЯУ МИФИ по новейшим направлениям искусственного интеллекта, таким, как построение динамических интеллектуальных систем (ДИС) различной типологии и сложности. Аналогов подобной книги в стране нет, несмотря на наличие достаточного числа работ, посвященных применению в различных областях науки и техники методов искусственного интеллекта, который отнесен к важнейшим критическим технологиям ХХI века.
Поэтому научная новизна, актуальность и практическая значимость материала книги соответствуют самому современному уровню знаний в области искусственного интеллекта, а её авторы – Лауреат Премии Президента РФ в области образования, д-р техн. наук, профессор Г.В. Рыбина и канд. техн. наук С.С. Паронджанов являются широко известными в стране учёными, активно работающими в области интеллектуальных систем и технологий, в том числе решая актуальную задачу создания общей теории, методологии и технологии построения наиболее сложных и востребованных классов ДИС - динамических интегрированных экспертных систем и многоагентных систем.
Важно отметить, что предлагаемая книга содержит новый материал, являющийся дальнейшим развитием положений, изложенных
вдвух ранее вышедших книгах профессора Г.В. Рыбиной – монографии «Теория и технология построения интегрированных экспертных систем» (2008г.) и учебного пособия «Основы построения интеллектуальных систем» (2010г.).
Новое учебное пособие предназначено, в первую очередь, для студентов НИЯУ МИФИ, обучающихся по направлениям подготовки «Прикладная математика и информатика», «Прикладная информатика», «Автоматизированные системы обработки информации и управления», а также может быть эффективно использовано
врамках учебного процесса по целому ряду других специальностей НИЯУ МИФИ, ориентированных на интеллектуализацию компьютерных систем, технологий и процессов.
7
Материал книги полностью соответствует рабочим программам по авторским курсам: «Динамические интеллектуальные системы» (каф. 22), «Проектирование кибернетических систем, основанных на знаниях» (каф. 22), «Базы данных и экспертные системы (введение в интеллектуальные системы)» (каф. 22), «Базы данных и экспертные системы» (каф. 28), «Интеллектуальные информационные системы» (Институт информационного менеджмента фак. У).
В книге даются основы теории и программная технология построения ДИС на примере динамических интегрированных экспертных систем, интеллектуальных агентов и многоагентных систем. Рассматривается их архитектура, приводятся базовые понятия, определения и классификации, описываются модельные и алгоритмические основы построения базовых компонентов, а также методы и технология представления и обработки знаний в динамических интеллектуальных системах. Важное внимание уделено современным инструментальным средствам поддержки разработки динамических интеллектуальных систем и практическим вопросам построения прототипов систем и их компонентов. Описаны примеры нескольких прототипов динамических систем различных классов, разработанных авторами и их учениками.
Материал книги разбит на три раздела: теоретический, инструментальный и практический. В первом разделе даются теоретикометодологические основы построения самых сложных и распространенных классов ДИС – динамических интегрированных экспертных систем, интеллектуальных агентов и многоагентных систем. Во втором разделе достаточно детально (ввиду отсутствия соответствующей литературы на русском языке) описываются функциональные возможности и особенности применения современного инструментария для поддержки разработки ДИС. Третий раздел посвящен описанию примеров технологии построения отдельных компонентов вышеупомянутых классов ДИС.
На отбор материалов и степень их детализации в каждом разделе оказали существенное влияние как общенаучное понимание того, что сегодня следует включать в теоретико-методологический и инструментально-технологический арсенал разработчиков данных классов ДИС, так и многолетний практический опыт авторов, связанный с реализацией значительного числа приложений ДИС.
8
С методической точки зрения важно отметить гибкое сочетание теоретических основ построения ДИС рассматриваемых классов с технологическими вопросами реализации прототипов ДИС и их базовых компонентов на основе использования как лицензионных программных средств, типа известной системы G2 (Gensym Corp.), так и оригинальных авторских отечественных инструментариев, например РДО, АТ-ТЕХНОЛОГИЯ, ИМВИА. В частности, разделы 2 и 3 содержат практические упражнения и рекомендации, направленные на привитие студентам навыков и умений разработки простейших прототипов ДИС для конкретных проблемных областей (сложные технические системы, ядерная энергетика, экология, химическое производство, телекоммуникации и др.). С этой целью в книге приводится достаточно детальное описание специализированной программной среды, в качестве которой в течение ряда лет в учебном процессе в виде лабораторного практикума по дисциплине «Динамические интеллектуальные системы» применяется лицензионная система G2(Gensym Corp.), а так же приводятся методические указания по технологии построения прототипов динамических интегрированных экспертных систем и многоагентных систем. Подобные вопросы освещались в русскоязычной литературе только в книге Г.В. Рыбиной «Основы построения интеллектуальных систем», вышедшей в издательстве «Финансы и статисти-
ка» в 2010 г.
На протяжении всей книги материал излагается с единых позиций, причем там, где это возможно, привлекаются математические средства, именно в качестве средств, а не предмета изложения, поскольку учебное пособие посвящено программно-технологическим вопросам построения ДИС (получить представление о тематике, которая не рассматривается в пособии, заинтересованный читатель может по многочисленным ссылкам на соответствующую литературу). Во все разделы книги включены также контрольные вопросы и упражнения для самостоятельной работы и подготовки к зачёту, в силу чего данная книга может быть использована на факультативных занятиях или для самостоятельного изучения. Книга снабжена обширным списком литературы и приложением, в котором представлены методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине «Динамические интеллектуальные системы».
9
Поскольку в настоящее время ведущие университеты страны включают в свои учебные программы дисциплины, связанные с теми или иными направлениями искусственного интеллекта, то данная книга может быть эффективно использована при изучении многих смежных дисциплин и многопрофильной подготовки будущих инженеров, технологов, математиков, физиков, программистов, системных аналитиков, экономистов, менеджеров и т.д.
Г.В. Рыбина
10