Проблемно-орієнтовані інформаційні технології для цілеспрямованих систем, які функціонують у середовищах, що складно формалізувати

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Міжнародний науково-навчальний центр

інформаційних технологій і систем

УКД 681.513; 681.518

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Проблемно-орієнтовані інформаційні технології для цілеспрямованих систем, які функціонують у середовищах, що складно формалізувати

05.13.06 - інформаційні технології

ЛЕВЧУК Олександр Миколайович

Київ - 2011

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем Національної академії наук України і Міносвіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Тарасов Віктор Олексійович,

Міжнародний науково-навчальний центр

інформаційних технологій та систем НАН України

і Міносвіти і науки, молоді та спорту України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Биченок Микола Миколайович,

Національний університет оборони України,

професор кафедри інформаційної боротьби;

кандидат технічних наук

Горбенко Віктор Миколайович,

Державна науково-виробнича корпорація

«Київський інститут автоматики»,

завідувач відділу автоматизованих мікропроцесорних інформаційно-управляючих систем.

Захист відбудеться “____” _____________ 2011 року о ____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.171.01 при Міжнародному науково-навчальному центрі інформаційних технологій та систем НАН і МОН України за адресою: 03680, Київ-680, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.

Автореферат розісланий “___” ____________ 2011 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої радиО.В. Бабак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТИ

Актуальність теми. Проблеми проектування, використання й впровадження проблемно-орієнтованих інформаційних технологій (ПО ІТ) вивчаються й вирішуються на міжнародному, національному та регіональному рівнях. Особливе місце займає їхня розробка для цілеспрямованих систем, які функціонують у середовищах, що складно формалізувати. Актуальність і особлива значимість цих питань визначає необхідність їх глибокого і детального вивчення на методологічному і практичному рівнях з позицій специфічності завдань і інтересів користувачів у процесі навчання й підтримки прийняття рішень.

В останні роки в нашій країні виникають нові складні завдання, які складно формалізувати, в різних галузях діяльності, для ефективного розв'язку яких необхідно використовувати нові алгоритми, методи, методики та моделі з урахуванням передового досвіду, результатом яких є етап концептуальної розробки з відповідним інформаційно-аналітичним та прогнозованим супроводом. Цілеспрямовані системи (ЦСС) із таким супроводом повинні орієнтуватися на об'єкт, що приймає рішення. Але суперечливість пропонованих вимог, неоднозначність оцінювання ситуацій, неповнота і нечіткість інформації значно ускладнюють ухвалення остаточного рішення і впливають на його якість. Тому для одержання повних, своєчасних і об'єктивних управлінських рішень необхідні бази даних та знань, що містять як моніторингову інформацію (облікову, експертну, вимірювальну), так і нормативно-методичні й нормативно-правові знання, а також ІТ, що забезпечують підтримку прийняття рішень різним рівням керування.

Значний внесок у дослідження проблем функціонування складних систем, проектування ІТ з використанням математичних методів і моделей, вимірювально-обчислювальних і експертних систем зробили такі вчені: Л. Заде, А. Кофман, Р. Акофф, В.І. Скурихін, В.О. Тарасов, В.С. Степашко, Л.С. Бєляєв, Ю.П. Зайченко, А.П. Ротштейн, Л.С. Берштейн, М.І. Воропай, Г.Б. Пєтухов, Д.А. Поспєлов та ін.

Оскільки більшість систем керування й підтримки прийняття рішень є цілеспрямованими й жодна з них не є універсальною, то одним із пріоритетних напрямків дослідження слід вважати розробку таких ІТ як проблемно-орієнтовані, призначені для створення інструментальних систем-оболонок, що концентрують накопичений досвід розробки високоефективних інформаційних систем.

Як показує огляд сучасного стану використання ПО ІТ для ЦСС, нині мало використовуються інформаційні системи аналітичного типу з елементами прогнозування для прийняття управлінських рішень в умовах значної складності, невизначеності й структурованості, що характеризує реальні умови функціонування таких систем. Це стосується також систем підтримки прийняття рішень: у спорті вищих досягнень; функціонування систем електроживлення в складних комплексах стратегічного значення; в аграрно-промисловій галузі, у яких мало ведеться досліджень, що оцінюють залежності результатів функціонування і розвитку від проведеної державою інвестиційної політики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у рамках таких наукових тем та проектів:

1. “Дослідження та розробка теоретичних основ побудови навчально-тренажерних інформаційних технологій підготовки оперативного персоналу" (номер держреєстрації 0106U000238);

2. “Розробка та дослідження інформаційних технологій досягнення прогнозованих якісних показників тренінг-процесів" (номер держреєстрації 0106U000239);

3. "Розробка інноваційних навчально-тренажерних технологій оптимального управління процесом навчання, тренінгу та прийняття рішень". (номер держреєстрації 0109U004773);

4. "Розробка нових наукомістких технологій для агропромислового комплексу" (договір держзамовлення №41/5 від 05.05.2008).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності управління процесу функціонування цілеспрямованих систем за рахунок розробки проблемно-орієнтованих інформаційних технологій.

Для досягнення поставленої мети в процесі досліджень поставлені та розв'язані такі задачі:

- дослідити управління процесу функціонування ЦСС, що характеризуються нечіткими даними та функціонують у середовищах, які погано піддаються формалізації;

- дослідити застосування методичних основ для управління функціонуванням цілеспрямованих систем в процесі розробки ПО ІТ;

- дослідити застосування алгоритмічних основ в процесі розробки ПО ІТ для ЦСС, що функціонують у середовищах, які погано піддаються формалізації;

- розробити ПО ІТ прогнозування стану функціонування ЦСС;

- провести апробацію ПО ІТ на прикладах функціонування складних електронних систем, інформатизації в спортивній діяльності та прогнозуванні і підвищенні урожайності сільськогосподарської продукції.

Об'єктом дослідження є управління процесом функціонування ЦСС.

Предметом дослідження є засоби методичного, математичного, алгоритмічного та програмного забезпечення ефективного управління цілеспрямованих систем, розробка ПО ІТ.

Методи дослідження. Теоретична частина роботи виконана на основі методів теорії управління, чисельних методів та методів оптимізації, теорії прийняття рішень, загальної теорії систем, нечіткої логіки.

Експериментальна частина роботи виконана на основі інтелектуальних технологій ідентифікації, імітаційних моделей прогнозування з застосуванням методології нечіткої логіки, комп'ютерного тестування, математичної статистики. Використовувались програмні засоби.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертації отримано такі нові результати, що виносяться на захист:

· для цілеспрямованих систем, що характеризуються нечіткими даними та функціонують у середовищах, які погано піддаються формалізації, а тому прогноз результатів діяльності таких систем не може бути одержано однозначно, вперше запропоновано узагальнену схему, обов'язковими елементами якої є блоки діагностики і прогнозу результатів;

· у блоці прогнозу результатів адаптовано та застосовано алгоритм прогнозування при відомому просторі факторів і показано його дієздатність;

· вперше розроблено математичну модель прогнозування урожайності сільськогосподарських культур з застосуванням активізатора росту рослин, що характеризується вводом в модель нового параметра - «дія активізатором росту рослин»;

· отримали подальший розвиток метод прогнозування результатів при відомому просторі факторів, метод парного порівняння на основі нечітких множин з коефіцієнтами відносної важливості критеріїв відбору, зокрема, розроблено методики оцінки потенційних можливостей, зіставної оцінки та опису техніко-тактичної підготовленості людини, яка навчається або тренується, реалізацію яких описано як критерії в методі парного порівняння, а також алгоритми прогнозування урожайності сільськогосподарських культур і контролю функціонування систем електроживлення електронних пристроїв;

· модифіковано технологію відбору українських спортсменів до участі у провідних змаганнях, зокрема, реалізовано 3 методики та впроваджено блок прогнозування результатів, який дозволяє використовувати при нечітких вхідних даних метод прогнозування при відомому просторі факторів.

Практичне значення одержаних результатів. Наукові положення, теоретичні і експериментальні результати досліджень можуть бути використані проектними організаціями при розробці нових ПО ІТ і модернізації існуючих ЦСС, що дозволить скоротити терміни їх створення.

При створенні ПО ІТ для прогнозування урожайності сільськогосподарських культур розроблено пристрій - активізатор росту рослин, який дозволяє збільшити урожайність до 20 % (патент України на корисну модель №55360 від 10.12.2010). Розроблені ПО ІТ та пристрій впроваджені на агропромисловому підприємстві с. Бзів.

Розроблена ПО ІТ в галузі електротехніки впроваджена при створенні моделі приладу, за допомогою якого можна контролювати та прогнозувати стан функціонування систем електроживлення складних електронних систем. Розроблено модель пристрою контролю функціонування системи електроживлення електронного пристрою по методу інтелектуальної технології ідентифікації (патент України на корисну модель №56332 від 10.01.2011).

Запропонована ПО ІТ відбору українських спортсменів зі стрільби до участі у провідних змаганнях дала змогу відібрати з великої кількості спортсменів найкращих за різними показниками та спрогнозувати результати їх виступів у провідних змаганнях.

Розроблені три оригінальні методики дозволяють в процесі досягнення високих результатів керувати процесом навчання і тренінгу людини та детальніше оцінювати умови, в яких функціонує цілеспрямована система. Застосування методик показано на прикладах виступів українських спортсменів зі стрільби.

Практичну цінність результатів розробки ПО ІТ підтверджено трьома актами впровадження та двома патентами. Отримані результати розробки ПО ІТ мають цінність для Федерації стрільби України, Міністерства аграрної політики України, а також галузі електронної техніки.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи автором отримані особисто [4-7, 9-12]. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать: [1] - проведено аналіз теоретичних відомостей щодо структури цілеспрямованої системи у галузі спорту; [2] - проведено збір, аналіз та обробку теоретичних і експериментальних даних, участь в дослідженні станів проблеми розробки системи підтримки прийняття рішень; [3] - дослідження в розробці методики сумісної діяльності при тренуванні та перепідготовці кадрів, опрацювання та систематизація отриманих даних; [8] - аналіз літератури та участь в обговоренні результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на таких конференціях: ІІ Міжнародній науковій конференції "Інформаційні технології в освіті для всіх" (Київ, 21-23 листопада 2007 р.), V Міжнародній конференції «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, Болгарія, 6-13 червня 2009 р.), ІІ Міжнародній науковій конференції «Інноваційний розвиток суспільства за умов кросс-культурних взаємодій», (Суми, 27-30 квітня 2009 р.), ІV Міжнародній конференції «Нові інформаційні технології в освіті для всіх: інноваційні методи та моделі», (Київ, 24-26 листопада 2009 р.), ІІІ Міжнародній науковій конференції «Інноваційний розвиток суспільства за умов кроскультурних взаємодій», (Суми, 26-29 квітня 2010 р.), V Міжнародної конференції «Нові інформаційні технології в освіті для всіх» (Київ, 23-25 листопада 2010 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 12 друкованих працях, серед яких 4 статті у наукових фахових виданнях (3 без співавторів), 5 доповідей тез у матеріалах конференцій, 1 препринт, 2 статті у не фахових виданнях та 2 патенти.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків та п'яти додатків, списку використаних джерел, що містить 142 найменування. Повний обсяг роботи - 221 сторінка; із них основний текст - 164 сторінки. Дисертація містить 25 рисунків, 21 таблицю.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульована мета та задачі дослідження, визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення.

У першому розділі зроблено огляд літературних джерел за тематикою дисертації. Проведено аналіз поняття «інформаційної технології» для подальшого оперування терміном «проблемно-орієнтовані інформаційні технології» (ПО ІТ). Виділено основні переваги та недоліки таких технологій.

ПО ІТ - технології, призначені для створення інструментальних систем-оболонок, які концентрують накопичений досвід розробки високоефективних інформаційних систем.

ЦСС - система, функціонування якої підпорядковано досягненню певної мети.

Середовище, що складно формалізувати - середовище, в якому вирішуються слабкоструктуровані задачі, задачі з нечіткими даними або проблеми з низкою специфічних властивостей.

Використовуючи системний підхід, дано характеристику цілеспрямованій системі, яка функціонує у середовищі, що складно формалізувати, та визначено основні її компоненти.

У другому розділі розглядається керована цілеспрямована система. Враховуючи різноманітність підходів представлення ЦСС і склад виконуваних функцій, вважаємо, що для кожної складової процесу створення ПО ІТ у середовищі, що складно піддається формалізації, доцільніше використовувати такий термін, як «блок». Введення цього поняття сприяє укрупненню досліджуваних питань і більшій видимості процесу управління. Блок є укрупненою структурною номенклатурою, що включає впорядковане коло близьких за призначенням питань. Це дозволяє здійснювати цілеспрямований пошук ефективних шляхів їх розв'язку на основі більш повного й всебічного врахування основних факторів, що впливають на ефективність управління, відбору та прийняття рішення. Тому процес керування ЦСС може бути описаний через блоки і модулі завдань і представлений "кортежним" записом:

,

де - ціль системи;

- множина об'єктів-блоків системи ;

- час, необхідний для вивчення і реалізації досліджуваної системи ;

- сукупність загальносистемних і інтерфейсних засобів, розрахункові методи, процедури;

- сукупність зв'язків між блоками системи;

- множина елементів блоків системи;

- прийняття рішення;

- споживачі інформації.

Для ЦСС, які функціонують у середовищах, що погано піддаються формалізації, характеризуються нечіткими даними, а тому прогноз результатів діяльності яких не можна бути одержати однозначно, запропоновано узагальнену схему. Вперше в цій схемі основними новими елементами є блок прогнозування результатів та блок діагностики (рис. 1).

Рис. 1. Узагальнена схема ЦСС, яка функціонує у середовищі, що складно формалізувати.

Представлена схема є базовою для систем, що розглядаються, але має свої особливості для кожної з досліджуваних галузей.

Блок діагностики містить такі блоки: прогнозу результатів, аналітичний, супроводу й оцінки результатів. Блок прогнозу результатів становить найбільший інтерес. Його робота може бути представлена у вигляді ітераційного процесу, спрямованого на пошук оптимального розв'язку завдання за всіма наведеними підсистемами або блоками і максимально задовольняти всім вимогам ЦСС, а також аналізу отриманої інформації, результатів, знань за допомогою експертних систем.

Аналіз отриманої інформації, знань, прогнозування результатів пропонується здійснювати за допомогою механізму побудови експертних систем, оскільки вони включають знання про певну слабкоструктуровану вузьку предметну область, дозволяють працювати з нечіткими даними та здатні пропонувати і пояснювати користувачеві раціональні розв'язки.

Оскільки деякі блоки можуть містити велику кількість як кількісних, так і якісних показників, а наявність параметрів передбачає існування системи їх оцінки, то доцільно для зменшення їх кількості використовувати різні методики агрегування. Метою впровадження методик агрегування є:

- підвищення ефективності функціонування ЦСС;

- забезпечення обчислення оцінок і показників, що характеризують рівень набутих знань, отриманих результатів;

- формування критеріїв відбору за рахунок узагальнення близьких за значенням і застосуванням показників.

У третьому розділі розглядається методика прогнозу очікуваних результатів, яка складає базис блоку прогнозу результатів, з використанням механізму побудови експертної системи, основними етапами якої є:

- визначення і опис основних вхідних параметрів середовища, яке складно формалізувати;

- побудова експертної системи;

- опис залежності очікуваного результату прогнозування;

- формування дерева логічного виводу лінгвістичних змінних;

- визначення функції приналежності лінгвістичним змінним;

- прогнозування очікуваних результатів при відомому просторі факторів з використанням бази знань нечіткої експертної системи.

Процес побудови нечіткої експертної системи виконується за таким алгоритмом.

I. Визначення характеристик цілеспрямованої системи. На цьому етапі формується інформація про призначення системи, визначаються її основні вхідні та вихідна змінні.

II. Формування дерева логічного виводу. Дерево логічного виводу формується шляхом послідовного виконання операцій додавання й/або видалення вузлів. При додаванні нового вузла визначається назва змінної, її позначення, кількість і назви термів для її оцінки, встановлюється діапазон її зміни.

III. Визначення функцій приналежності лінгвістичних термів. На цьому етапі визначають функції приналежності, що використовуються для формалізації терм-оцінок змінних.

IV. Формулювання експертних правил "ЯКЩО-ТО, ІНАКШЕ", що описують поведінку об'єкта. Ці правила вносяться у відповідні матриці знань.

V. Настроювання нечіткої експертної системи шляхом розв'язку завдань оптимізації з використанням навчальної вибірки.

Прогноз очікуваних результатів будемо визначати за допомогою наступних змінних: - низький; - нижче середнього; - середній; - вище середнього; - високий.

Введемо параметри (лінгвістичні змінні), що характеризуються терм-множинами значень, одержимо вирази:

- залежність, що характеризується параметрами ;

- залежність, що характеризується параметрами ;

- залежність, що характеризується параметрами ;

- залежність, що характеризується параметрами ;

- залежність, що характеризується параметрами , де , , тобто

, (1)

, (2)

,(3)

, (4)

, (5)

, (6)

Для співвідношень (1)-(6) складають таблиці знань.

Таблиця 1 Знання для співвідношення (1)

					…
				…
		…	…	…
…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…
…	…	…	…	…	…
				…

Аналогічно будують таблиці знань для співвідношень (2)-(6), де елемент відповідає лінгвістичній оцінці вхідних параметрів.

Використовуючи дані таблиць знань для співвідношень (1)-(6) і операції (І-min) і (АБО-max), запишемо систему логічних рівнянь, що зв'язують функції очікуваних прогнозів і вхідних змінних:

(7)

,(8)

,(9)

,(10)

,(11)

,(12)

де - терми, , , .

У загальному випадку частина змінних може мати свої функції приналежності нечітким термам (), які використовуються в наведених вище логічних рівняннях. Для цих змінних наведемо інтервали зміни кожної змінної до універсального інтервалу за допомогою наступних співвідношень:

, , j=,(13)

де - інтервал зміни змінних , - найменше значення, - найбільше значення інтервалу.

Аналітична модель функції приналежності матиме вигляд:

,(14)

де задається експертом, і параметри функції приналежності (13) нижче:

Терм			…
	0	1	…
	0,923	0,923	0,923	0,923

Застосування таких функцій обумовлено їхньою апроксимацією функцій приналежності на практиці.

Прогнозування очікуваного результату здійснюється з використанням узагальненого елемента нечіткого логічного виводу, який описує залежність

за допомогою системи висловлень "ЯКЩО-ТО, ІНАКШЕ". Послідовне застосування цієї моделі до дерева виводу дозволяє обчислити прогноз в заданій точці при відомому просторі факторів:

,(15)

де - кількість нечітких термів для оцінки змінної , - назва -го терму, , - ступінь приналежності змінної терму .

Упевненість експерта в кожному правилі "ЯКЩО-ТО, ІНАКШЕ", що входить у нечітку базу знань (7), може бути різною. Для відображення значимості правил вводяться їхні ваги.

З урахуванням ваг правил нечітка база знань (7) про залежність матиме такий вигляд:

Якщо

… (16)

…,

то .

Якщо

…

…,

то і т.д.

Модифікована нечітка база знань (16) у загальному випадку може бути представлена у вигляді:

, ,

де - клас розв'язку, у який попадає значення вихідний змінної ; - лінгвістична оцінка вихідної змінної в -му рядку -го множника, яка обирається з відповідної терм-множини, , , ; - кількість правил, що визначають значення вихідної змінної ; - ваги правил.

Налаштування ваг правил дозволяє здійснити класичний генетичний алгоритм.

Четвертий розділ присвячено розробці та практичній реалізації ПО ІТ для таких ЦСС, які функціонують у середовищах, що складно формалізувати, як електротехнічні системи та сільське господарство.

Розглянуто алгоритм прогнозу урожайності сільськогосподарських культур. Прогноз визначався рівнями: - низький; - нижче середнього; - середній; - вище середнього; - високий. Алгоритм включає такі етапи.

I. Задаються лінгвістичні змінні та визначаються інтервали їх можливих значень (потенційна (природна) родючість ґрунту (5-50 ум. од.) - , внесення органічних добрив (0-10 т/га) - , внесення мінеральних добрив (0-50 кг/га) - , вміст вологи в І період вегетації (10-200 ) - , вміст вологи в ІІ період вегетації (10-200 ) - , вміст вологи в ІІІ період вегетації (10-200 ) - , середня температура в період росту (15-25 ⁰C) - , засухостійкість культури (5-50 ум. од.) - , ефективність боротьби з хворобами (10-40 ум. од.) - , ефективність боротьби зі шкідниками (10-40 ум. од.) - , Ефективність боротьби з бур'янами (10-20 ум. од.) - , дія активізатором росту рослин (0-100 ум. од.) - ).

II. Задається модель для диференційного прогнозу урожайності (17) - (22), що представлена у вигляді дерева логічного виводу (рис. 2).

,(17)

,(18)

,(19)

,(20)

,(21)

.(22)

Рис. 2. Дерево логічного виводу

III. Для залежностей (17)-(22) складають матриці знань (як показано в третьому розділі).

IV. Використовуючи матриці знань та замінюючи лінгвістичні терми і (, - номер диз'юнкції, - номер рядка) на відповідні функції приналежності, одержуємо логічні рівняння:

.

Аналогічно , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,, .

V. Інтервали зміни змінних зводяться до універсальних [0;1] у відповідності до співвідношень (13), (14). Вибирається початкове значення коефіцієнта «с» (експертна оцінка).

VI. Задаються кількісні значення змінних , для яких потрібно виконати прогноз урожайності.

VII. Розраховуються функції приналежності для кожної терм-множини змінних .

VIII. Використовуючи логічні рівняння, обчислюють функції приналежності, що відповідають співвідношенням (18), (19), (21), а також функції приналежності для всіх значень , вихідної змінної .

IX. Визначають значення , функція приналежності якого максимальна. Це і буде шуканий розв'язок для заданого вектора вхідних змінних .

X. Виконується дефазифікація нечіткої множини , , , , , обчислюють прогноз урожаю при відомому просторі факторів згідно (15).

XI. Виконують тонку настройку нечіткої бази знань на основі генетичного алгоритму:

1) Формують модифіковану базу знань;

2) Розраховують , і визначають значення , функція приналежності якого максимальна;

3) Якщо значення прогнозу не співпадає з прогнозом експерта для заданої точки векторного простору, варіюють значення коефіцієнта функції розширення та виконують наступну ітерацію розв'язку задачі.

Далі у роботі описується пристрій - активізатор росту рослин, який дозволяє збільшувати урожайність сільськогосподарської культури до 20%. При розробці математичної моделі прогнозу урожайності враховано цей пристрій як показник «дія активізатором росту рослин», що дозволило збільшити прогнозне значення урожаю на 12,29%. Цей результат виявився на 2,76% більше апріорного.

ПО ІТ прогнозування стану ЦСС дозволяє описувати математичною моделлю складні електронні системи. Так розглянуто модель пристрою контролю функціонування системи електроживлення електронного пристрою на прикладі радіолокаційної станції 19ЖС. Основна задача - це прогнозування стану працездатності системи живлення приймача пеленгаційного каналу РЛС та вдосконалення пристрою-прототипу, який у реальному часі здійснює контроль працездатності системи живлення і визначає стан джерел живлення. Особливістю моделі є наявність, окрім перемикача, вольтметра і шістьох аналого-цифрових перетворювачів обчислювача. Цей обчислювач дозволяє використовувати алгоритм прогнозування результатів при відомому просторі факторів для визначення стану електронної системи та контролю її працездатності. Основні вхідні параметри системи: напруга накалу елементів 6,3 В - , напруга джерел живлень +250В - , напруга джерел живлень +125В - , напруга джерел живлень -125В - , напруга зміщення на керуючі елементи каналу усунення помилкових пеленгів -1,6 В - -2,4 В - , напруга зміщення на керуючі елементи основного каналу -2,4 В - -3,6 В - . Контроль працездатності системи проводиться за вимірами напруг джерел живлення і характеризується 13 типами станів, представленими на дереві логічного виводу (рис. 3).

Рис. 3. Дерево логічного виводу (- нормальне функціонування; , , , - передаварійний стан різних джерел живлення; , , , - відмова джерел живлення; , - пропуск пеленгів, , - видача помилкових пеленгів)

У п'ятому розділі розглянуто ПО ІТ прогнозування виступів збірних команд України зі стрільби. Ця технологія дозволяє оцінити потенційні можливості українських спортсменів перед відповідальними провідними змаганнями. Відбір спортсменів відбувався за принципом парного порівняння на основі нечітких множин з коефіцієнтами відносної важливості, що описаний в роботі А.Н. Борисова й О.А. Крумберга За критерії відбору вибрано досягнутий спортсменом середньостатистичний результат за аналізований проміжок часу, показник перспективності спортсмена, оцінка потенційних можливостей стрілка, техніко-тактична підготовленість. Для останніх трьох розроблено оригінальні методики.

Методика зіставної оцінки потенційних можливостей людини, яка навчається або тренується, дозволяє визначати підсумковий результат оцінки шляхом аналізу сукупності показників . Кожен такий показник виражений кількісно, має свій ваговий коефіцієнт та зіставлений з найбільшими показниками аналізованих суб'єктів. Сформовано проміжний рейтинг результатів виступів j-го спортсмена на аналізованих i-х змаганнях та представлено загальний рейтинг:

,

де , ,

- коефіцієнти переваги показників, - коефіцієнти престижності змагань, - коефіцієнти, що дозволяють координувати межі діапазону зміни відношень максимального та мінімального аналізованих показників, - кількість змагань, в яких спортсмен брав участь.

Розроблено методику техніко-тактичної підготовленості спортсменів. Особливістю методики є наявність мішені, розділеної на 12 секторів, що дозволяє робити необхідні обчислення і візуально демонструвати користувачеві результати стрільби. Результати дозволяють судити про щільність стрільби, розкид відхилень від середнього значення, шляхи переміщення точки влучення і дають можливість тренеру пред'явити рекомендації тому, хто навчається або тренується. Серед основних розрахункових формул методики виділимо:

а) величина F площі багатокутника, утвореного сукупністю пробоїн:

,

де , - координати положення кінців радіус-вектора , ,

, , ,

модулі радіус-векторів положення пробоїн на мішені для основного направлення та сусідніх з ним, розташованих під кутами 30⁰ і 60⁰ відповідно, , , - кількість цих радіус-векторів;

б) величина L відхилення центру тяжіння багатокутника від центру мішені з координатами :

, де ,

координати центру тяжіння багатокутника;

в) розкид відхилень достоїнства пробоїн від середнього значення :

,

де - значення достоїнства i-ї пробоїни, - кількість пострілів у вправі.

При прогнозуванні результатів виступів для подальшого корегування процесом навчання або тренування розглядається методика граничних показників, характерною рисою якої є використання її для визначення контрольних нормативів при формуванні національної збірної команди. Дані, отримані в результаті роботи цієї методики, можуть служити аргументацією до пропонованих вимог за рівнем підготовки спортсменів. Основні вхідні параметри методики - це всі найкращі результати аналізованих вправ за останні 14 провідних змагань (оскільки в змаганнях можуть змінюватись правила та пріоритети). Серед всіх найкращих знаходять найменший та найбільший результати, найменший відсоток, що відповідає найменшому результату за останні 14 змагань, будують матриці відповідності значень, які наближені до 25%, 50% та 75% значень. В результаті одержують матрицю типу:

	25%	50%	75%
min	%	значення	%	значення	%	значення	max

де - максимальне відсоткове значення 25% межі, що відповідає найбільшому значенню . Аналогічно для 50% та 75% значень. Результат методики представлено на рис. 4, що характеризує динаміку змін результатів, прохідні бали і межі відсоткових значень.

Рис. 4. Диференційні граничні значення результатів.

Дана методика дає уявлення про те, у яких випадках експерт може завчасно оцінити потенційні можливості людини, що навчається, і дати пораду щодо подальшого вдосконалення індивідуальних особистісних характеристик.

Далі за допомогою методу парного порівняння на основі нечітких множин з коефіцієнтами відносної важливості критеріїв проведено відбір спортсменів, які показали найкращі результати за запропонованими методиками. Після цього за допомогою алгоритму прогнозування при відомому просторі факторів зроблено прогноз очікуваних результатів виступів відібраних спортсменів. Основні вхідні показники: середній рівень результатів за аналізований період виступів - ; стабільність результатів виступів - ; максимальний результат, що досяг спортсмен на провідних змаганнях - ; середній результат напередодні змагань - ; психологічний стан - . Похибка прогнозу знаходилась у межах 0,5% - 1%.

Адекватність моделі визначається за допомогою критеріїв Фішера і Ст'юдента.

У висновках за розділами стисло викладені отримані результати наукових досліджень.

У додатках вказані документи впровадження результатів дисертаційної роботи та наводиться опис експериментальних обчислень.

ВИСНОВКИ

У роботі отримані такі основні результати.

1. На базі системного підходу проведено аналіз цілеспрямованих систем, які функціонують у середовищах, що погано піддаються формалізації і характеризуються нечіткими даними і прогноз результатів в яких не може бути однозначним. Для них запропоновано узагальнену схему з блоками діагностики та прогнозу результатів. Дані блоки в процесі керування цілеспрямованими системами дозволяють застосовувати для задач з нечіткими даними алгоритм прогнозування при відомому просторі факторів.

2. Розроблено три оригінальні методики агрегування, які дають змогу в процесі досягнення високих результатів керувати ЦСС. Методики дозволяють детальніше оцінити умови, в яких функціонує ЦСС. Застосування методик показано на прикладах виступів українських спортсменів зі стрільби.

3. Застосовано алгоритм прогнозування очікуваних результатів при відомому просторі факторів та генетичний алгоритм налаштування ваг правил, що дозволяє розв'язувати складні задачі з нечіткими даними.

4. Розроблено ПО ІТ для галузі електронної техніки, що дозволяє створювати моделі електронних приладів, за допомогою яких можна контролювати та прогнозувати в умовах складної формалізації стан функціонування систем електроживлення складних електронних пристроїв та систем. Розроблено модель пристрою контролю функціонування системи електроживлення електронного пристрою.

5. Розроблено методику зіставної оцінки потенційних можливостей людини, яка навчається або тренується, що дозволяє визначати підсумковий результат оцінки шляхом аналізу сукупності показників . Кожен такий показник виражений кількісно, має свій ваговий коефіцієнт та зіставлений з найбільшими показниками аналізованих суб'єктів.

6. Розроблено методику оцінки граничних показників, дані якої дозволяють аргументовано пред'являти вимоги щодо рівня підготовки людини, що навчається або тренується. Принцип дії методики застосовано для визначення контрольних нормативів при формуванні національної збірної команди України зі стрільби.

7. Розроблено методику визначення техніко-тактичної підготовленості спортсмена, що дає змогу візуально оцінити тренеру тактичні дії та технічні характеристики ведення стрільби.

8. Модифіковано та апробовано з позитивним результатом ПО ІТ відбору спортсменів для збірної команди України зі стрільби, що дає змогу при застосуванні розроблених методик формувати збірні команди для участі у провідних змаганнях та прогнозувати результати їх виступів з урахуванням певних вимог.

9. Розроблено математичну модель та реалізовано ПО ІТ прогнозування урожайності сільськогосподарських культур, що дозволило при дослідженні параметрів росту рослин ввести параметр «опромінення рослин». Введення цього параметру супроводжувалося розробкою електронного пристрою - активізатору росту рослин, який дозволяє збільшити урожайність до 20%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Valakh V. Information technologies development in decision making systems for sport / Valakh V., Bogino V., Levchuk A., Petrova E. // Proceedings of the second international conference «New information technologies in education for all: state of the art and prospects» - Kyiv, 2007. - P.57-63.

2. Гриценко В.И. Корпоративная система поддержки принятия решений в спорте высших достижений / В.И. Гриценко, В.И. Богино, А.Н. Левчук, Е.Г. Петрова // препринт. - Киев: Академпериодика. - 2008. - 32 с.

3. Богино В.И. Информационная технология для поддержки процессов совместной деятельности при тренировке и переподготовке кадров / В.И. Богино, А.Н. Левчук, Е.Г. Петрова // Управляющие системы и машины. - Киев, 2009. - С. 65-72.

4. Левчук О.М. Інформаційна технологія зіставної оцінки потенційних можливостей людини різної кваліфікації / Левчук О.М. // Академічний вісник Криворізького територіального відділення Міжнародної Академії комп'ютерних наук та систем. - Кривий Ріг. - № 25-26. - 2010. - С. 153-158.

5. Левчук О.М. Проблемно-орієнтована технологія діагностики знань та вмінь у слабо формалізованих галузях / Левчук О.М. // Научные вести Галицкой академии. - Івано-Франківськ. - №16(2). - 2009. - С. 115-121.

6. Левчук О.М. Прогнозування очікуваних результатів на основі інтелектуальної технології ідентифікації / Левчук О.М. // Науково-технічна інформація. - Київ. - №1(43). - 2010. - С. 39-44.

7. Левчук О.М. Проблемно-орієнтована ІТ контролю функціонування системи електроживлення електронних пристроїв на основі інтелектуальної технології ідентифікації / Левчук О.М. // Науково-технічна інформація. - Київ. - №3(45). - 2010. - С. 44-49.

8. Богино В.И. Граничные оценки как показатели, влияющие на качество обучения в процессе принятия решений / Богино В.И., Левчук А.Н. // Матеріали V Міжнародної конференції «Стратегия качества в промышленности и образовании», Т. 2, Варна, Болгарія, 2009. - С.52-54.

9. Левчук О.М. Проблемно-ориентированные информационные технологии в контексте развития информационного общества: реалии и перспективы / Левчук А.Н., Богино В.И. // Матеріали ІІ Міжнародної наукової конференції «Інноваційний розвиток суспільства за умов кросс-культурних взаємодій», Т. 3, Ч. 2, Суми, 2009. - С.50-52.

10. Levchuk O. A system approach in research of the problem-focused information technologies / Levchuk O. // Збірник праць ІV Міжнародної конференції «Нові інформаційні технології в освіті для всіх: інноваційні методи та моделі», м. Київ, 2009. - С.101-104.

11. Левчук А.Н. Анализ и прогнозирование результатов в обучении и тренинге / Левчук А.Н. // Матеріали ІІІ Міжнародної наукової конференції «Інноваційний розвиток суспільства за умов кросс-культурних взаємодій», Суми, Т. 3, Ч. 2, 2010. - С.325-328.

12. Левчук А.Н. Применение методических основ в процессе разработки ПО ИТ для эффективного функционирования ЦНС / Левчук А.Н. // Збірник праць V Міжнародної конференції «Нові інформаційні технології в освіті для всіх», Київ, 2010. - С.217-221.

13. Патент №56332 Україна. МПК G 01 S 13/00. Пристрій контролю функціонування системи електроживлення електронного пристрою по методу інтелектуальної технології ідентифікації / Тарасов В.О., Зіненко В.М., Левчук О.М. - № 201007737; заявл. 21.06.2010; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1/2011.

14. Патент №55360 Україна. МПК A 01 P 17/00. Активізатор росту рослин / Демидов О.А., Тарасов В.О., Зіненко В.М., Левчук О.М. - № 201007080; заявл. 08.06.2010; опубл. 10.12.2010, Бюл. № 23/2010.

АНОТАЦІЇ

Левчук О.М. Проблемно-орієнтовані інформаційні технології для цілеспрямованих систем, які функціонують у середовищах, що складно формалізувати. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України і Міносвіти України, Київ, 2011.

Дисертаційна робота присвячена розробці проблемно-орієнтованих ІТ для ефективного управління процесом функціонування цілеспрямованих систем, що характеризуються нечіткими даними та функціонують у середовищах, які погано піддаються формалізації. Для вирішення цього завдання на базі системного підходу проведено аналіз таких ЦСС та запропоновано узагальнену схему з блоками діагностики та прогнозу результатів. Для розв'язання складних задач з нечіткими даними застосовано алгоритм прогнозування очікуваних результатів при відомому просторі факторів. Розроблено три ПО ІТ: 1) для галузі електронної техніки, що дозволяє створювати моделі електронних приладів; 2) прогнозування урожайності сільськогосподарських культур, що дозволило при дослідженні параметрів росту рослин ввести параметр «опромінення рослин» та створити пристрій «активізатор росту рослин»; 3) відбору спортсменів для збірної команди України зі стрільби, що дає змогу формувати збірні команди для участі у провідних змаганнях та прогнозувати результати їх виступів. Розроблено 3 оригінальні методики агрегування, які дозволяють в процесі досягнення високих результатів у спорті керувати процесом навчання та тренування спортсменів та детальніше оцінити умови, в яких функціонує ЦСС. Проведені обчислювальні експерименти, результати яких підтверджують ефективність запропонованих ПО ІТ.

Ключові слова: проблемно-орієнтовані інформаційні технології, цілеспрямовані системи, середовища, які погано піддаються формалізації, прогнозування, математична модель.

Левчук А.Н. Проблемно-ориентированные информационные технологи для целенаправленных систем, функционирующих в трудноформализуемых средах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Международный научно-учебный центр информационных технологий и систем НАН Украины и Минобразования Украины, Киев, 2011.

Диссертационная работа посвящена разработке проблемно-ориентированных технологий для целенаправленных систем, функционирующих в трудноформализуемых средах.

Диссертационная работа посвящена разработке проблемно-ориентированных ИТ для эффективного управления процессом функционирования целенаправленных систем, характеризующихся нечеткими данными и функционирующих в трудноформализуемых средах. Для решения этого задания на базе системного подхода проведен анализ таких ЦНС и предложена обобщенная схема с блоками диагностики и прогноза результатов.

Для решения сложных задач с нечеткими данными применен алгоритм прогнозирования ожидаемых результатов при известном пространстве факторов, описанный в монографии А.П. Ротштейна. При настройке весов правил использован генетический алгоритм. Разработано три ПО ИТ: в отрасли электронной техники, что способствует созданию моделей электронных приборов; прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур, позволяющую при исследовании параметров роста растений ввести параметр «облучение растений» и создать устройство «активизатор роста растений»; отбора спортсменов для сборной команды Украины по стрельбе, что дает возможность формировать сборные команды для участия в ведущих соревнованиях и прогнозировать результаты их выступлений.

Разработаны три оригинальные методики агрегирования, позволяющие в процессе достижения высоких результатов в спорте управлять процессом обучения и тренинга спортсменов и детальнее оценивать условия, в которых функционирует ЦНС. Так разработаны методики: сопоставительной оценки потенциальных возможностей человека, который обучается либо тренируется; оценки граничных показателей; определения технико-тактической подготовленности спортсмена. Проведены вычислительные эксперименты, результаты которых подтверждают эффективность применения предложенных ПО ІТ.

Ключевые слова: проблемно-ориентированные информационные технологии, целенаправленные системы, трудноформализуемая среда, прогнозирование, математическая модель.

Levchuk O.M. Problem-oriented informational technologies for the purposeful systems functioning in difficultly formalizable environments. - Manuscript.

Candidate of technical sciences. Degree thesis. Speciality 05.13.16 - informational technologies. - International Research and Training Center for Information Technologies and Systems of the National Academy of Science of Ukraine and Ministry of Education and Science of Ukraine, Kiev, 2011.

Dissertational work is devoted working out problem-oriented information IT (PO IT) for efficient control process of functioning of the purposeful systems (PFS) characterized by the indistinct data and functioning in difficultly formalizable environments. For the decision of this task on the basis of the system approach the analysis such PFS is carried out and the generalized scheme with blocks of diagnostics and the forecast of results is offered.

The algorithm of forecasting of expected results is applied to the decision of challenges with the indistinct data at known space of the factors, A.P.Rotshtejna described in the monography. It is developed three PO IT:

1) in branch of electronic technics that promotes creation of models of electronic devices;

2) forecasting of productivity of the agricultural crops, allowing at research of parameters of growth of plants to enter parameter «an irradiation of plants» and to create the device «an activizator of growth of plants»;

3) selection of sportsmen for a national team of Ukraine on shooting that gives the chance to form national teams for participation in leading competitions and to predict results of their performances.

3 original techniques of aggregation allowing in the course of achievement of good results in sports to operate by process of training and training of sportsmen are developed and more detailed to estimate conditions in which functions PFS. The computing experiments which results confirm efficiency offered PO ІТ are made. цілеспрямований розрахунковий середовище інтерфейсний

Key words: problem-oriented information technology, purposeful systems, difficultly formalizable environment, forecasting, mathematical model.

Підписано до друку 23.02.2011 р.

Формат 60х90 1/16. Папір офс.

Ум. друк. арк. 0,9. Наклад 100. Зам. №20

КиївЦНТЕІ, Київ, вул. Горького, 180,

тел. 521-00-90

Размещено на Allbest.ru

...