Рыбина Технология построения динамических 2011

Этот этап является первым и самым главным, поскольку необходимо выбрать динамическую область экспертизы и динамическую НФ-задачу (раздел 1.4.).

Например, это может быть:

∙администрирование ЛВС;

∙управление бортовыми системами самолета;

∙управление транспортными потоками;

∙работа диспетчера аэропорта;

∙диагностика состояния высотного здания в реальном време-

ни;

∙прогнозирование поведения курсов на валютных рынках и

др.

При выборе ПрО следует оценить наличие доступного источника знаний (эксперта или книги), так как отсутствие источника практически неизбежно приведет к провалу разработки.

Результатом данного этапа является краткое описание задачи (объемом примерно в 1 лист формата А4), которое должно содержать: название работы, ФИО разработчиков, краткое описание ПрО, постановку НФ-задачи, источники знаний (эксперты или книги).

3. Описание имитационной модели СТС.

В соответствии с методикой построения ИМ, описанной в разделе 1, строится ИМ для конкретной СТС и означиваются следующие параметры:

∙X = (x1, x2 ,..., xn ) – вектор контролируемых неуправляемых параметров;

∙U = (u1,u2 ,...,um ) – вектор контролируемых управляемых па-

раметров;

∙	E		= (e1,e2 ,..., eq ) – вектор возмущений ;
∙		= ( y1, y2 ,..., yl ) – вектор выходных параметров системы.
	Y

Система может находиться в одном из допустимых (штатных) состояний, представляющих собой вектор C = (c1,c2 ,...,cs ) и

C Ω, где Ω – пространство возможных состояний системы (оно

221

включает в себя также нештатные состояния). Для внешнего описания системы можно определить следующее выходное значение

Y i+1 имитируемой системы, если известны текущие входные значения ИМ, управления и возмущения:

Y i+1 = F ( X i+1,U i+1, Ei+1) , i = 1,…, l, где F – оператор имитационной модели.

Следует отметить, что время в такой модели понимается дискретным и переменные считаются неизменными на каждом интер-

вале [ti,ti+1).

Таким образом, для описания имитационной модели необходимо описать векторы X ,U , E,Y и функцию F.

Вектор X представляет собой входные данные. Чаще всего это информация с датчиков, установленных на объекте. Например, пусть в комнате установлено три датчика дыма. Тогда вектор (выкл, тревога, вкл) представляет собой входной вектор на текущем этапе.

Вектор Y представляет собой некоторые выходные данные. Это могут быть какие-либо индикации успешности\неуспешности выполнения действий или какие-то средние характеристики. Примером такого вектора может быть текущий диагноз больного, если болезнь рассматривается как динамический процесс.

Вектор U описывает управляющие воздействия. Обычно это действия, которые предпринимает оператор (рассуждения которого

и должна моделировать разрабатываемая ДИС). U i+1 всегда зави-

сит от Y i . На данном этапе требуется всего лишь указать возможные значения данного вектора. Примером может быть вектор (выкл, вкл) для системы с двумя насосами.

Вектор E необходим для описания случайных событий (например, поломок).

Для описания функции F необходимо выбрать один из классических подходов к построению ИМ: событийный, сканирование активностей, процессный.

222

Взависимости от того, как должна функционировать СТС, выбирается один из этих подходов, который определяет способ задания функции F.

Вслучае событийного подхода достаточно определений первого типа, а в случае процессного потребуются все 3 типа определений. Вектора и функция являются результатами извлечения знаний о ПрО из источника. Результатом данного этапа должно стать описа-

ние векторов X ,U , E,Y и функции F с указанием подхода к построению имитационной модели.

4. Построение БЗ для решаемой НФ-задачи.

В системе G2 используется продукционный подход к представ-

лению знаний, поэтому описание зависимости U i+1 ( Y i ) должно быть представлено в виде правил вида:

ЕСЛИ <Условия>, ТО <Действия>.

В качестве условий выступают значения вектора Y , а в качестве

действий значения вектора U .

Правила являются результатом извлечения знаний из источника знаний. Результатом данного этапа должна стать продукционная БЗ для прототипа ИЭС, решающего поставленную задачу.

5. Разработка архитектуры прототипа динамической ИЭС.

Разработка архитектуры – следующий важный шаг при создании ИЭС. При проектировании архитектуры следует учитывать требования к разрабатываемой ИЭС и использующееся инструментальное средство – систему G2.

Базовый пример архитектуры динамической ИЭС, реализованной с использованием средств G2, представлен ниже.

Рассмотрим основные компоненты приведенной архитектуры.

∙ИМ соответствует описанию на предыдущих шагах.

∙БЗ состоит из двух частей: правил, описывающих функционирование ИМ, и правил, использующихся для решения задачи. Это особенность разработки в системе G2.

∙Решатель и рабочая память – стандартные средства системы

G2.

∙ Диалоговый компонент используется для взаимодействия с пользователем (оператором). Он выводит информацию о состоянии

223

модели и рекомендации по действиям, которые следует предпринять, а также позволяет передавать запросы в модель.

∙ Подсистема имитационного моделирования позволяет изменять модель и ее параметры непосредственно из разрабатываемого прототипа ИЭС, а также собирать общую статистику по работе. Это дополнительное требование. Система должна работать на широком диапазоне объектов, а не быть «заточенной» под конкретную СТС.

Результатом данного этапа должна стать диаграмма архитекту-

ры, описывающая прототип ИЭС, а также краткое описание всех

его компонентов.

6. Построение имитационной модели средствами системы

G2

Построение ИМ характерно для системы G2 и детально описано здесь не будет. Следует руководствоваться описанием со второго этапа разработки. Приведем лишь несколько советов:

∙ рекомендуется создать отдельные пространства для каждого типа объектов (объектов, правил и т.п.);

224

∙импортировать иконки объектов можно только в ч\б виде (их придется рисовать руками);

∙реализовывать имитационную модель следует с учетом того, что в диалоговом компоненте будет нужно наглядно выводить все данные.

Результатом данного этапа должна стать ИМ, реализованная в системе G2.

7. Реализация модулей, обеспечивающих решение задачи в

системе G2

Здесь необходимо перевести правила, описанные на третьем этапе в формат правил G2, а также разработать сервисные модули, если таковые требуются.

Результатом данного этапа должен стать уже практически готовый прототип ИЭС лишь без пользовательского интерфейса.

8. Разработка пользовательского интерфейса

К пользовательскому интерфейсу предъявляется несколько требований:

1.Наличие экрана загрузки, содержащего название прототипа ИЭС, имена разработчиков и руководителя.

2.Наличие визуального отображения работы имитационной модели. Должно быть более-менее красочным.

3.Наличие информационного окна для вывода рекомендаций.

4.Наличие «пульта управления», позволяющего оператору отдавать команды.

5.Наличие средств управления имитационной моделью (подсистема имитационного моделирования), позволяющая изменять различные параметры модели.

6.Наличие информационного окна со статистической информацией по модели.

Результатом данного этапа должен стать готовый прототип ДИС, удовлетворяющий всем требованиям к разработке.

9. Составление документации

Если все предыдущие этапы были выполнены в точности, то составление документации не должно стать проблемой. Приведем примерное содержание документации:

∙ Общее описание системы (на основе первого и четвертого этапов разработки).

225

∙Описание имитационной модели ПрО (на основе этапа 2).

∙Примеры правил из БЗ (на основе этапа 3).

∙Архитектура прототипа ИЭС (на основе этапа 5).

∙Описание имитационной модели в системе G2 (краткое описание основных объектов на основе этапа 6).

∙Примеры правил, обеспечивающих решение задачи в системе G2 (на основе этапа 7).

∙Примеры работы готового прототипа ИЭС.

Результатом данного этапа должна стать готовая документация по КРА, которая сдается на кафедру и на которой проставляется оценка одновременно с оценкой в зачетной книжке.

226

Приложение 2

Краткая характеристика имитационных моделей и лабораторных работ на базе RAO-Studio

В комплект поставки программного комплекса RAO-Studio входит достаточно много различных ИМ.

Модель парикмахерской. Многие сложные системы представляют собой системы массового обслуживания. Для подобных систем характерны случайный входной поток клиентов, наличие приборов обслуживания, случайное время обслуживания и очереди, возникающие при ожидании клиентами обслуживания. Одним из примеров таких систем служит парикмахерская.

Задача: требуется определить рациональное число парикмахеров

ихарактеристики очереди, такие как среднее время ожидания, максимальная длина и другие.

Моделирование обеспечивает решение задачи с учетом всех случайных факторов и позволяет правильно организовать процесс обслуживания клиентов, выбрав рациональное число парикмахеров

итребуемое количество кресел для клиентов, ожидающих обслуживания.

Данная модель используется как отдельная модель для знакомства с РДО. Для лабораторного практикума по курсу «Динамические интеллектуальные системы» не подходит из-за того, что слишком простая и недостаточно наглядная, так как представляет собой традиционную модель системы массового обслуживания.

Модель конечного автомата с линейной тактикой. Автомат представляет собой устройство, которое может находиться в нескольких (конечных) устойчивых состояниях. Взаимодействуя с внешней средой, автомат выдает во внешнюю среду сигнал действия, предписанного каждому его состоянию. Смена состояний происходит с учетом оценки за предпринятое действие, получаемой от внешней среды. Эта оценка двоичная – штраф или поощрение.

Цель функционирования автомата – приспособление к условиям внешней среды, т.е. минимизация штрафов. Автомат не-

227

смотря на его простоту демонстрирует целесообразное поведение.

Имитация позволяет оценить значения параметров автомата (например, глубину памяти, соответствующую длине лепестка на схеме автомата), обеспечивающие ему наилучшее поведение, а также провести исследования о поведении автомата в постоянно изменяющейся внешней среде.

Модель идентификации кредитных карточек. Моделируется работа системы автоматической идентификации кредитной карточки при совершении покупки, что требуется для обработки покупок в универмаге. Продавец вводит необходимую информацию о покупке с клавиатуры кассового аппарата.

Жесткая магнитная карта считывается автоматом. На кредитной карте записано имя покупателя и другая информация, которая передается в файл покупателя. Если покупательная способность подтверждена, генерируются копии аккаунтов и обновляются идентификационный файл клиента и информация на карте.

Терминал системы сохраняет информацию обо всех операциях, совершенных в течение текущего дня. Часть информации о текущей операции периодически передается в файл, содержащий инвентарный список товаров, и в файл, содержащий информацию о продавцах.

Система управления распределенной базой данных. Распре-

делённая база данных (РБД) представляет собой базу данных, отдельные части которой размещены на нескольких ЭВМ локальной вычислительной сети. Система управления РБД обеспечивает определение ЭВМ, на которой хранятся требуемые в запросе данные; декомпозицию распределённых запросов на подзапросы; планирование обработки запросов; передачу частных подзапросов и их исполнение на удалённых ЭВМ и многое другое.

Задача: сократить время обработки сложных распределённых запросов, выполняющих ряд операций над данными на различных ЭВМ сети за счет эффективного размещения файлов и эффективного распределения этапов процесса обработки данных между ЭВМ сети.

228

Имитируется появление сложных запросов, планируется процесс обработки запросов, их декомпозиция на подзапросы, передача данных по сети, обработка на ЭВМ, поиск и чтение данных из РБД, композиция общего результата, обеспечение целостности РБД, выявление ситуаций Death-Lock, определение основных характеристик системы.

Модель участка изготовления деталей магнитов. Гибкий ав-

томатизированный участок предназначен для изготовления деталей сверхпроводящих магнитов. Участок включает более 70 единиц различного оборудования, в том числе прессы листовой штамповки, склады, моечные и галтовочные машины, позиции сборки, монорельсовые дороги.

Задача: оценить технический проект участка, определив пропускную способность, узкие места, интенсивность транспортных потоков и другие характеристики.

Применение РДО-имитатора позволило вскрыть ряд недостатков в разработанном проекте и выработать конкретные рекомендации по изменению проекта.

Модель участка мебельной фабрики. Важнейшее требование к производству мебели – быстрое выполнение индивидуальных заказов на мебель. Производство мебели из массового все более становится индивидуальным. Заказы отличаются не только составом, но и цветом отделки. Рассматриваемая линия изготовляет комплекты деталей под имеющийся портфель заказов.

Задача: обеспечить своевременное и быстрое изготовление отдельных заказов, уменьшить переналадки оборудования. Для этой цели необходимо эффективное планирование работы участка и управление оборудованием.

Имитационная модель позволила исследовать различные алгоритмы планирования и управления выпуском деталей, обеспечить комплектацию заказов на выходе линии. Кроме того, получены оценки максимальной производительности линии и загрузки отдельных ее элементов.

Модель эволюции популяции. Эволюционно-генетический подход позволяет создавать алгоритмы поиска оптимальных решений на основе моделирования биологических механизмов попу-

229

ляционной генетики, а так же обеспечивает решение оптимизационных задач, не прибегая к направленному перебору.

Представленная модель имитирует развитие популяции за счет воспроизведения особей из поколения в поколение, их скрещивания и мутации. Особи в популяции оцениваются некоторой функцией качества, определяющей их способность к выживанию в процессе эволюции. Лучшие особи имеют преимущество в процессе воспроизводства потомков, при этом потомки наследуют положительные качества своих родителей.

При анимации эволюционного процесса на экране ЭВМ повышению качества популяции соответствует перемещение особей в область, близкую к оптимуму (на кадре – это правый верхний угол).

Модель участка распилки бревен. Для минимизации отходов древесины при разделке хлыстов на балки и брусья необходимо разработать алгоритм раскроя бревна. Этот алгоритм по результатам обмера очередного бревна и по имеющемуся портфелю заказов на пиломатериал определяет длины пилоблоков и вписывание пиломатериала в пилоблок.

Так как при раскрое необходимо учитывать плановые сроки изготовления заказов и запаздывание самой программы раскроя, свойства алгоритма раскроя не могут быть определены без имитации процесса функционирования участка распилки.

Разработанная модель и различные варианты алгоритмов раскроя (эвристические, генетические, поиска решений в продукционной системе) позволили предложить эффективный алгоритм раскроя бревен.

Модель локальной сети. Локальные вычислительные сети (ЛВС) представляют собой системы распределенной обработки данных, охватывающие небольшие территории внутри отдельных офисов, предприятий, банков, больниц и т.п.

Моделируется процесс обмена информацией между ЭВМ ЛВС по каналу связи, имеющему топологию кольца. ЛВС использует передачу маркера и протоколы низкого уровня стандарта IEEE 802.5 (Token Ring) института инженеров электроники и электротехники США.

230