СППР

21

К этому классу проблем относятся, например, проблемы планирования научных исследований, конкурсного отбора проектов, выработки политики отбора статей в журналах и т.д.

Ко второму классу проблем относятся многие смешанные задачи, использующие как эвристические предпочтения, так и аналитические модели. Например, при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, вызванных радиоактивным поражением, аналитические модели могут быть использованы для определения степени и характера поражения через заданные интервалы времени, а эвристические предпочтения - при выборе мер по ликвидации последствий поражения. К этому же классу проблем относятся многие проблемы, связанные с экономическими и политическими решениями, проблемы медицинской диагностики и т.п.

Среди многокритериальных методов приютия решений существуют два, - возникшие в 60-е годы, подхода [8]. Первый подход предполагает, что в каждой конкретной задаче принятия решений при многих критериях необходимо построить численную функцию, отражающую предпочтения ЛПР.

Второй подход имеет скорее поведенческое, а не математическое обоснование: "Подход, основанный на идее выявления предпочтений одновременно с исследованием допустимого множества действий для отыскания эффективных решений" [13].

Наряду с указанными подходами, обогащая их, развивались методы нечёткой логики [14].

В господствующих подходах, порождённых ' декартовой рационалистической методикой, традиционно существует тенденция отвергать такие термины, как неясность, неопределенность, нечеткость или неточность. Однако, в реальном мире неминуемо приходится сталкиваться со множеством случаев, когда невозможно избежать проблемы учёта неясностей и неточных данных о событиях, характеристиках в оценках. В 1965 г. Заде предложил теорию нечётких или размытых множеств [15], получившую также название нечёткой логики. Теория нечётких множеств дала схему решения проблем, в которых субъективное суждение или оценка играют существенную роль при оценке факта неясности и неопределенности.

Теория нечётких множеств прошла путь от разработки формальных средств представления плохо определяемых понятий, используемых человеком, и аппарата для их обработки до моделирования приближённых рассуждений, к которым человек прибегает в повседневной и профессиональной деятельности.

Средства вычислительной техники позволяют в значительной степени формализовать процесс поддержки принятия решений, используя оба перечисленных выше подхода в сочетании с методами размытых множеств.

22

1.3.З. ХАРАКТЕР ОЦЕНКИ РЕЗУЛЬТАТА РЕШЕНИЯ

В соответствии с [8] проблемы, решаемые в СППР, могут быть с объективно и субъективно оцениваемыми результатами.

Задачи с объективно оцениваемыми результатами - это задами, для которых может быть объективно определён факт их окончательного решения. В этих задачах в явном виде задан критерий, определяющий достижение цели. Сюда относятся сложные комбинаторные задачи, различные игры с чёткими правилами (шахматы, шашки), задачи проектирования и т.д. Для этих задач, как правило, имеются хорошие аналитические или алгоритмические модели. Для них имеется возможность объективной оценки результата решения или хотя бы сравнительной оценки нескольких вариантов решений.

К задачам с субъективно оцениваемыми решениями отнесём задачи, для которых объективная оценка результата решения отсутствует и её заменяют экспертные оценки, основанные на эвристических предпочтениях. То есть качество решения основывается на субъективных оценках человека. К таким задачам относится принятие экономических и политических решений, задачи медицинской диагностики и т.д.

1.3.4. ХАРАКТЕР СИТУАЦИИ

Обстановку, в которой принимаются решения, можно подразделить на стабильную и экстремальную.

При принятии решений в стабильной обстановке ЛПР, как правило, имеет больше времени для сбора и анализа данных и оценки принимаемых решений. Задачи, решаемые в стабильной обстановке, могут быть повторно решаемые или решаемые впервые. При решении повторных задач ЛПР опирается на накопленный опыт и анализ результатов ранее решённых задач. Для впервые решаемых задач опыта их решения нет, поэтому специалисты вынуждены опираться на свои знания и интуицию.

Принятие решений в экстремальной ситуации характеризуется острым дефицитом времени и, в большинстве случаев, быстро меняющейся обстановкой. Эти два фактора сильно усложняют процесс принятия решений для ЛПР. Задачи, решаемые в экстремальных ситуациях, можно подразделить на ранее решаемые и уникальные. Однако даже при решении аналогичных задач практически не бывает двух одинаковых чрезвычайных ситуаций. Поэтому наряду с использованием информации, хранящейся в базе данных, специалист (эксперт, ЛПР) должен вводить новую информацию, отображающую данную чрезвычайную ситуацию, корректировать "веса" (значимость) критериев, модифицировать метод ликвидации чрезвычайной ситуации.

1.3.5. ТИПЫ КОМПЬЮТЕРНОГО АНАЛИЗА СИТУАЦИЙ

Под компьютерным анализом будем понимать человеко-машинную процедуру, состоящую из фазы анализа ситуации, принятия решения и

23

оценки последствий принимаемых решений. Компьютерный анализ может быть статический и динамический [7].

Существует класс задач, в которых анализ сложившейся обстановки для принятия по ней решения является достаточным и не требует продолжения (во всяком случае по данной конкретной ситуации). Такой компьютерный анализ назовём статическим. Примером такого анализа является решение по ликвидации аварийного разлива нефти. Принимается решение, обеспечивающее, исходя из имеющихся возможностей, наиболее безопасный, быстрый и дешёвый способ ликвидации аварии. Вопрос о её дальнейших последствиях и необходимых мерах (экологических, финансовых и др.) не является, как правило, предметом обсуждения при выборе средств и методов ликвидации аварии..

Однако, существует очень большой класс задач, в которых нельзя оценить эффективность решения без анализа возможных последствий. Таковы, например, подавляющее большинство политических и экономических решений, выбор хода в шахматах и т.д.

Это можно сформулировать следующим образом [8]: пусть имеется некоторый набор сценариев, из которого выбирается один для реализации поставленной задачи. Эффективность выполнения задачи будем характеризовать показателем W=>max.

Все факторы, от которых зависит успех, разделим на три группы: заданные заранее известные факторы (условия выполнения задачи), которые для краткости обозначим а; зависящие от нас элементы решения, образующие в своей совокупности множества решений Х; неизвестные факторы, которые в совокупности обозначим ξ.

Показатель эффективности W зависит от всех трёх групп факторов:

W =W (o,X ,ξ).

(1.1)

Так как величина W зависит от неизвестных факторов ξ, она уже не может быть вычислена и остаётся неопределённой. Поэтому записать W0= max W (α, X, ξ) - нельзя. В этом случае задачу можно сформулировать так: при заданных условиях а, с учётом неизвестных факторов ξ , найти такое решение хєХ, которое, по возможности, обеспечивает максимальное значение показателя эффективности W.

Это уже не чисто математическая задача, вернее не задача классических методов оптимизации.

1.4. Структура СППР и этапы функционирования

При обосновании структуры СППР необходимо учитывать следующие обстоятельства, выявленные в процессе обобщения опыта практического применения СППР:

24

1.Эффективность СППР при решении задач в первую очередь определяется составом (мощностью) знаний, которыми она обладает, и только во вторую очередь - используемыми ею процедурами логической обработки знаний.

2.Знания, накапливаемые и хранящиеся в СППР, отражают

субъективное восприятие предметной области экспертом-человеком и, как правило, являются неполными, нечёткими и противоречивыми. СППР должна обладать способностью использовать экспертные знания с подобными свойствами.

3. В сипу специфики исходной экспертной информации и методов решения задач обеспечить доверие к полученным результатам можно только путём разъяснения пользователям в доступной форме причин, на основании которых получены данные результаты. Иначе говоря, СППР должна обладать способностью объяснить свои действия, отвечая на вопросы пользователя.

4.Решение, формируемое СППР, должно носить рекомендательный характер с возможностью его корректировки за счёт использования знаний

иличного опыта ЛПР.

5.СППР должна быть гибридной, т.е. иметь возможность решать как

задачи, основанные на экспертных знаниях, так и другие классы задач (оптимизационные, расчётные и др.).

Обобщённая структурная схема локальной СППР, отвечающая требованиям, приведена на рис. 1.3.

Подсистема общения (ПОбщ) предназначена для обеспечения диалогового взаимодействия пользователей (операторов, инженера по знаниям (когнитолога), администратора системы, экспертов) с системой на языке профессиональной лексики. Это достигается, например, средствами' разработки сценариев диалога и организацией связи между сценариями и областью информационных запросов. В ПОбщ производится как трансляция предложений естественного языка (или другого проблемноориентированного языка непроцедурного типа) на внутренний язык представления знаний, так и обратные преобразования.

Вподсистеме оценки ситуации (ПОС) происходит распознавание (классификация) текущей ситуации и определение управляющего воздействия по её разрешению.

Вподсистеме синтеза плана разрешения текущей ситуации (ПСП) формируются возможные варианты разрешения данной ситуации, производится экстраполяция развития ситуации по каждому варианту и выбирается оптимальный.

Подсистема логического вывода (ПЛВ), используя формализованные знания и данные, генерирует рекомендации по решению задачи. В ПЛB реализуется некоторая стратегия выбора актуальных правил, тесно

Рис. 1.3 Структура локальной системы поддержки принятия решений

26

связанная с методом представления знаний в СППР и характером решаемых задач.

Когда ПЛВ не в состоянии решить ту или иную задачу из-за нехватки знаний данной СППР, описание задачи передаётся подсистеме декомпозиции и агрегирования (ПДА). Эта подсистема определяет те СППР, знания которых необходимы для решения данной задачи, производит её декомпозицию и передаёт образованные подзадачи соответствующим СППР для их решения. Затем, когда все подзадачи будут решены, ПДА производит агрегирование частных решений подзадач в решение исходной задачи.

Подсистема объяснения (ПОбс) обеспечивает формирование ответов на запросы пользователей о том, почему и как получен тот или иной результат решения.

Функция подсистемы обучения (ПОбуч) состоит в программной поддержке процесса извлечения знаний о предметной области, а также в пополнении и корректировке их в процессе функционирования СППР.

Подсистема информационно-оптимизационных модулей (ПИОМ) включает комплекс информационно-расчётных и оптимизационных интерактивных программ, предназначенных для решения функциональных задач, специфических для данной СППР. Это, например, такие задачи как распределение ресурсов, оптимального планирования, транспортные, картографические, информационно-поисковые и т.п.

Подсистема управления базой знаний (ПУБЗ) является основным информационно-преобразующим элементом системы, обеспечивающим доступ остальных подсистем к знаниям и данным.

В распределённой СППР дополнительно имеются подсистемы информационного обмена и фокусировки внимания.

Подсистема информационного обмена определяет стратегию обмена данными между СППР. Применительно к передающей СППР такая стратегия определяет, когда СППР должна передавать информацию (о логических выводах и целях) другим СППР, какого типа информация должна передаваться и какие СППР являются подходящими приёмниками этой информации. Применительно к приёмной СППР стратегия информационного обмена задаёт условия приёма информации, типы принимаемой информации, подходящие СППР источники и способ локальной оценки принятой информации.

Подсистема фокусировки внимания предоставляет каждой СППР возможность самостоятельно решать, какую из возможных целей (задач) следует отрабатывать. Множество этих потенциальных целей включает в себя как собственные цели СППР, так и цели, порождённые другими СППР.

27

Можно выделить три этапа функционирования СППР: обучение, функционирование и эволюционирование.

Обучение. На этом этапе формируются база знаний (БЗ) СППР, которая содержит модели проблемной ситуации (ПС). База знаний СППР по сути представляет собой распределённую информационную среду, состоящую из локальных БЗ, содержащих модели тех предметных областей (ПрО), на которые ориентированы соответствующие СППР.

Формирование подмоделей ПС происходит независимо друг от друга и основано на экспертной информации. Эксперт (специалист в соответствующей ПрО) совместно с когнитологом вводит в локальную БЗ сущности ПрО и её характеристики; устанавливает связи между ними и формирует закономерности, присущие данной области; определяет классы проблемных ситуаций; формирует правила распознавания и управляющие воздействия (целевые условия) по их разрешению. Затем, исходя из этих целевых условий, он определяет классы исходов и ранжирует эти классы по степени их "неблагоприятности", т.е. определяет свою систему предпочтений исходов (альтернатив) относительно этих целей. Если есть другие эксперты по данной ПрО, то в этом случае они также могут определить свои системы предпочтений относительно этих целей, что впоследствии даст возможность сформировать коллективную систему предпочтений при выборе альтернатив.

После того, как все локальные БЗ будут построены, подобным образом формируется БЗ корневой СППР данного, уровня, которая содержит метаправила, выражающие взаимосвязи и закономерности проблемной среды в целом, указатели на местонахождение соответствующей информации в распределённой БЗ, посредством которых производится топологическая привязка знаний. Иначе говоря, БЗ корневой СППР является метабазой данного уровня распределённой СППР.

Функционирование СППР. Описание текущей ситуации подаётся на вход подсистемы оценки ситуаций некоторой СППР. В результате ретроспективного анализа выявляется схожесть (корреляция) текущей ситуации с уже имевшими место когда-либо событиями. Если подобные ситуации уже имели место, то правильные решения по ним принимаются в качестве вариантов преодоления текущей ситуации. Когда же аналога текущей ситуации в прошлом нет, ПОС, используя правила распознавания, а также механизмы вывода ПЛВ, относит текущую ситуацию к одному или нескольким классам. Если ПОС не в состоянии распознать (классифицировать) текущую ситуацию, описание её даётся ЛПР для определения управляющего воздействия и эта информация передаётся в ПСП. Если нет возможности непосредственно реализовать эти решения, ПСП, используя модель ПС, операторы преобразования и целевые условия, в качестве которых выступают решения, формирует варианты планов

28

достижения этих целей с одновременной экстраполяцией развития текущей (исходной) ситуации. Затем в соответствии с системой предпочтения исходов выбирается рациональный вариант. Если же имеется несколько систем предпочтений, то в этом случае осуществляется сведение множества индивидуальных предпочтений альтернативных вариантов решений в единую коллективную систему предпочтения и, на основании полученной системы предпочтения исходов, выбирается рациональный вариант разрешения текущей ситуации. Когда в процессе работы ПОС или ПСП для получения логических выводов необходимоы знания из других предметных областей, ПЛВ передаёт задачу в ПДА. Эта подсистема, используя информацию из метабазы распределённой СППР, декомпозирует задачу на подзадачи и определяет необходимые для их решения СППР как данного органа управления, так и корневые СППР органов управления других уровней. Эти корневые СППР, в свою очередь, могут рассредоточить решение на СППР следующего уровня и т.д. Результаты решения СППР-приёники через свои средства коммуникации передают СППР-источнику. Эта информация поступает опять в ПДА, где производится её агрегирование, в результате чего получается решение исходной задачи, которое поступает обратно в ПЛВ.

Эволюционирование заключается в пополнении и корректировке модели ПС и правил распознавания. Пополнение и корректировка Модели ПС может происходить двумя путями: непосредственно человеком (экспертом, когнитологом, оператором) как на этапе обучения СППР в режиме диалога и автоматически в процессе её функционирования, посредством механизмов обобщения. После выбора в ПСП рационального плана разрешения текущей ситуации, описание этой ситуации и план её разрешения поступают в ПОбс. В ПОбс между текущей ситуацией и планом её разрешения устанавливается причинно-следственная связь и эта информация запоминается в БЗ. В БЗ запоминаются также нераспознанные ПСП ситуации. По мере накопления такой информации происходит её обобщение и формируются новые классы ситуаций (решающие правила), в результате чего система дообучается.

1.5. Системное проектирование распределённых СППР

1.5.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭТАПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СППР

В создании СППР участвуют эксперт, инженер знаний, средства построения экспертной системы и пользователь. Их основные роли и взаимоотношения приведены на рис. 1.4 [16].

Эксперт - это человек, способный ясно выражать свои мысли и пользующийся репутацией специалиста, умеющего находить правильные решения проблем в конкретной Предметной области. Эксперт использует

29

свои приёмы, чтобы сделать поиск решения более эффективным и СППР моделирует его стратегии. Как правило, СППР моделирует знания одногоили нескольких экспертов, хотя она может также содержать опыт, почерпнутый из других источников, таких как книги и журнальные статьи.

Инженер знаний - человек, как правило, имеющий познания в информатике и искусственном интеллекте и знающий, как надо строить СППР.

Инженер знаний опрашивает экспертов, организует знания, решает, каким образом они должны быть представлены в системе, и может помочь программисту в написании программ.

Средства построения СППР - это язык программирования, используемый инженером знаний или программистом для построения системы. Этот инструмент отличается от обычных языков программирования тем, что обеспечивает удобные способы представления сложных высокоуровневых понятий. В искусственном интеллекте термин "средство" обычно относится и к языку программирования, и к поддерживающим средствам, используемым для построения СППР.

Пользователь - человек, который использует уже построенную СППР. Например, пользователем может быть инженер, который использует СППР, чтобы она помогла ему быстрее найти неисправность в технике, которую он эксплуатирует; врач, применяющий СППР для диагностики заболевания; военный, принимающий решение по

зо

использованию подчинённых сил и средств в сложной боевой обстановке и т.д. Термин "пользователь" несколько неоднозначен. Обычно он означает конечного пользователя, для которого разрабатывалась система. Однако в широком смысле пользователем может быть и программист, отлаживающий программы СППР, и инженер знаний, уточняющий существующие в системе знания, и эксперт, добавляющий в систему новые знания, и конечный пользователь, обращающийся к системе за советом, и любой специалист, добавляющий в систему информацию.

Основное содержание этапов построения СППР приведено на рис. 1.5. Рассмотрим содержание этих этапов более подробно [17].

Этап идентификации. На данном этапе решаются следующие

задачи.

1. Выбираются участники рабочей группы и устанавливается форма их взаимоотношений. Например, эксперт может выступать либо в роли учителя, либо в роли информирующего. Целесообразной является такая форма взаимоотношений, при которой когнитолог последовательно обращается к эксперту за консультациями.

2. Определяются официально принятые источники знаний (руководящие документы, материалы испытаний и т.д.). Выполнение данной задачи является прерогативой эксперта.

3. Составляется неформальное (вербальное) описание предметной области, в котором указываются:

общая характеристика предметной области, состав решаемых задач (подзадач), их постановки и цели решения;

предполагаемая динамика событий (для этой цели рекомендуется формировать списки возможных событий и группировать их · соответствии со стратегиями подтверждения сходства и шага структуризации, а также указывать пространственные и временные зависимости, обуславливающие возможность возникновения данных событий);

доступные системе сведения о событиях, релевантных решаемым задачам. Отличительной чертой данного этапа идентификации является его значительная трудоёмкость для когнитолога, так как при отработке задач последующих этапов ему приходится многократно возвращаться к вербальному описанию предметной области с целью его корректировки в соответствии с вновь возникающими замечаниями эксперта. Поэтому при первоначальном составлении вербального описания стремление когнитолога добиться более ёмкого его содержания похвально лишь в разумных пределах.

Этап концептуализации. Опыт разработки СППР показывает, что на данном этапе экрперт и когнитолог выделяют основные объекты (понятия, отношения) и характер информационных потоков, необходимые