Моделі, методи та засоби адаптації інформаційних технологій підтримки прийняття рішень і навчання до когнітивних можливостей користувачів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

05.13.06 - Інформаційні технології

УДК 004.5

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

МОДЕЛІ, МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ АДАПТАЦІЇ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПІДТРИМКИ ПРИЙНЯТТЯ РІШЕНЬ І НАВЧАННЯ ДО КОГНІТИВНИХ МОЖЛИВОСТЕЙ КОРИСТУВАЧІВ

УС МИХАЙЛО

ФЕДОРОВИЧ

Одеса - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова Національної академії наук України

Науковий консультант член-кореспондент АПН України, доктор технічних наук, професор Верлань Анатолій Федорович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти:

член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор, лауреат Державної премії України з науки і техніки Гупал Анатолій Михайлович, Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, завідувач відділу доктор технічних наук, професор Мещеряков Володимир Іванович, Одеський державний екологічний університет, завідувач кафедри доктор технічних наук, професор Тесля Юрій Миколайович, Черкаський національний університет, завідувач кафедри

Захист відбудеться “24” вересня 2009 р. о 1330 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті (65 044 м. Одеса, проспект Шевченка, 1, ауд.400-а).

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці ОНПУ, 65 044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1

Автореферат розісланий “21” серпня 2009 р. Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.С. Ямпольський

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Комп'ютерні інформаційні системи, що реалізують інформаційні технології в галузях прийняття управлінських рішень та комп'ютеризації освіти, спираються на засоби взаємодії користувачів з інформаційними ресурсами. Прогрес інформаційних технологій сприяє бурхливому зростанню обсягів даних, що надаються користувачам таких систем. Обсяг інформації в Глобальній мережі зростає щороку на 60% (за підсумками 2007 р. становив 281 млрд гігабайтів). У сфері управління США обсяг управлінської інформації складає 1,3 трильйона документів на рік. Компанії, організації, окремі користувачі інформаційних систем потребують засобів зменшення негативного впливу інформаційного перевантаження, скорочення ресурсів, необхідних для обробки зростаючих обсягів даних, зменшення рівня шумів, підвищення достовірності та ефективності обробки даних персоналом.

Суть інформаційного перевантаження полягає в тому, що кількість інформації перевищує об'єктивні можливості її сприйняття людиною. Digital Equipment Corporation та інші провідні компанії створюють інтегровані засоби стискування інформації на основі аналізу її змісту (контенту) для зменшення інформаційного навантаження. У підрозділах Hewlett-Packard працюють над проектом протидії «інформаційному вибуху» через спеціальну обробку неструктурованих даних -- контенту електронної пошти, медійних форматів, блогів, соціальних мереж (система CIDP). Фахівці з проблем аналізу текстів та психолінгвістики дослідницьких відділів ряду компаній працюють над можливістю синтезу повідомлень, що впливають на поведінку користувачів, у тому числі на сприймання рекламних та політичних текстів.

Один із шляхів забезпечення ефективності процесів обробки знань полягає в тому, щоб пристосувати (адаптувати) інформаційне середовище відносно особливостей кожного користувача, які визначають можливості та ефективність сприйняття інформації. Особистісні характеристики користувачів залежать як від їх психофізичного стану, так і набутого професійного досвіду та рівня знань, що є унікальними для кожного індивіда. Комп'ютерні засоби дослідження окремих характеристик користувача існують, але вони недостатньо використовуються в системах організаційного управління і навчання для підвищення рівня персональності інформаційних технологій та адаптації їх до інформаційного, мотиваційного та когнітивного рівнів.

Традиційними дослідженнями інформаційних процесів у людино-машинних колективах є теоретичні та прикладні аспекти підвищення ефективності і якості взаємодії системи з користувачем. Теоретичною базою для досліджень у цій сфері стали роботи В.Ф. Венди, А.М. Галактіонова, В.М. Глушкова, А.Н. Довгяло, Б.Ф. Ломова, В.В. Павлова, А.В. Палагіна, Ф.Е. Темнікова, В.Г. Хорошевського та ін. Істотний внесок у цьому напрямі належить працям А.Ф. Верланя, Т.А. Гаврілової, В.Д. Гогунського, Г. Деннінга, В.І. Дракіна, В. Ессіга, Д.А. Поспєлова, Ф.І. Рибакова, В.І. Скуріхіна, В.А. Тарасова, І.О. Чмиря та ін. Значний внесок у розв'язання проблем взаємодії користувачів в автоматизованих системах навчання зробили В.І. Гриценко, В.П. Гладун, В.А. Крісілов, Е.І. Машбіц, О.Л. Перевозчикова, Р. Рідінг, К.Л. Ющенко та ін.

Існує широкий клас інформаційних технологій, функції яких пов'язані з забезпеченням користувачів значними обсягами неструктурованих даних. Такі технології реалізують системи підтримки прийняття рішень, що забезпечують діяльність індивідуальних та групових користувачів (DSS та GDSS) і призначені для використання в управлінні соціальними та економічними об'єктами. Значну кількість неструктурованої інформації опрацьовують редактори, референти, спеціалісти з електронної торгівлі, рекламного бізнесу. Ефективність сприйняття інформації спеціалістами-користувачами таких комп'ютерних технологій в умовах інформаційного перевантаження знижується, якщо не протидіяти йому через управління характеристиками інформаційних потоків. Аналогічні проблеми сприйняття та опрацювання даних мають користувачі інформаційних технологій в освіті, особливо систем дистанційного навчання (СДО). Одна з таких систем (Moodle) забезпечує навчання більше за 23 млн користувачів та налічує більше, ніж 20 млн джерел поширених форматів, що містять неструктуровані дані. Для забезпечення ефективного сприйняття змісту навчання з цих джерел перспективними є підходи, що здійснюють управління параметрами інформації, яка надається користувачам.

Наведені положення визначають актуальність обґрунтування і вирішення наукової проблеми створення моделей, методів та засобів адаптації інформаційних технологій до когнітивних особливостей користувачів в автоматизованих системах підтримки прийняття рішень та навчання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи безпосередньо пов'язана з програмами (проектами): Державна Програма розвитку системи дистанційного навчання на 2004-2006 роки (Постанова Кабінету Міністрів України від 23.09.2003 р. №1494), наукова тема «Теоретичні основи та прикладні методи створення інтегрованих та розподілених засобів комп'ютерного моделювання для оптимального управління електромеханічними системами нафтогазодобувного, гірничого та транспортного обладнання (шифр «Оптіма», держ. реєстр. номер 0107U000889, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України), Державної науково-технічної програми п. 6.3 «Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку», науково-дослідна робота «Розробка інтегрованого інтелектуалізованого середовища для комплексного моделювання складних неоднорідних систем» (шифр «Динамо», за договором № 2/1294-97 держ. обліковий номер 0201UO17522, інв. №019717522, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України), проект «Дистанційна освіта в університетах України» (Американсько-Польсько-Український Консорціум з удосконалення бізнес-освіти в Україні, CEUME, 1998-2002 рр.).

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційного дослідження є підвищення ефективності інформаційних технологій прийняття рішень та навчання шляхом створення методів і засобів адаптації процесів сприйняття та обробки інформації в автоматизованих системах до когнітивних особливостей користувачів.

Поставлена мета досягається розв'язанням таких основних завдань дослідження:

1. Аналіз та систематизація проблем управління когнітивними інформаційними процесами в системі «користувач - комп'ютер».

2. Побудова діалогових моделей здобуття, обробки знань та забезпечення адаптації інформаційних систем до когнітивних особливостей користувача.

3. Розробка структури адаптивної інформаційної системи, що реалізує інформаційні технології підтримки прийняття рішень в організаційному управлінні та навчанні на основі діалогових процедур обробки даних.

4. Розробка засобів моніторингу рівня знань користувача для реалізації адаптивних технологій в системах «електронного» навчання.

5. Побудова моделей та створення засобів адаптації інформаційних технологій до когнітивних особливостей сприйняття інформації користувачами.

6. Розробка програмного забезпечення адаптивних інформаційних технологій, орієнтованих на комунікативні інформаційні процеси, з використанням інженерії програмного забезпечення на основі об'єктного аналізу та сучасних стандартів розробки.

7. Створення програмних модулів адаптивних інформаційних технологій, орієнтованих на підтримку прийняття організаційних рішень та навчання користувачів.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є інформаційні технології автоматизованих систем підтримки прийняття організаційних рішень та навчання.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є моделі, методи та програмні засоби адаптації інформаційних технологій підтримки прийняття рішень і навчання до когнітивних можливостей користувачів.

Методи дисертаційного дослідження. У ході дисертаційного дослідження використано методи системного аналізу, теорію прийняття рішень та інтелектуальних систем навчання, методи аналізу і проектування програмного забезпечення - для розробки концепції побудови адаптивних інформаційних технологій; теорію мовних актів і комунікацій, питань та відповідей Белнапа і Стіла та концепцію даталогічного проектування систем - для побудови моделі інформаційної діалогової взаємодії «користувач-комп'ютер»; теорію та методи штучного інтелекту, нечітких множин, когнітивного представлення ментальних процесів - для моделювання користувача, що навчається; методи математичної логіки, представлення знань, теорію ситуаційного управління та онтологічної інженерії, методи інтелектуалізації програмного забезпечення, методи перцепції та логічного висновку на знаннях - для розв'язання задачі автоматизації оцінювання знань користувача. Для розв'язання завдань розробки програмних засобів адаптивних інформаційних технологій використано об'єктно-орієнтований підхід проектування програмного забезпечення, об'єктне моделювання предметних галузей, агентні технології створення програм, методи програмної інженерії.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає у розв'язанні науково-технічної проблеми створення теоретичних основ, моделей інформаційних процесів та методів розробки адаптивних інформаційних технологій представлення даних з урахуванням когнітивних можливостей користувачів.

До захисту виносяться такі основні наукові результати:

1. Вперше удосконалено концепцію побудови інформаційних технологій, що призначені для використання в галузях організаційного управління та навчання і забезпечують управління характеристиками подання інформації з урахуванням когнітивних особливостей користувачів (уперше опубліковано в 1998 р. [6]).

2. Розвинуто теорію інформаційної взаємодії користувача з комп'ютером на основі запропонованої моделі інформаційної взаємодії, представленої як абстрактна діалогова машина, що діє незалежно від семантики діалогу (вперше опубліковано в 1997 р. [3]).

3. Розвинуто теорію діалогового процесу для забезпечення знання-орієнтованої інформаційної взаємодії як складової адаптивних інформаційних технологій; запропонована формально-логічна модель діалогової взаємодії агентів - учасників системи, що виконують: процедури збору і сприйняття інформації; пошук альтернатив та реалізацію раціонального вибору в процесах прийняття рішень; моніторинг стану користувача інформаційної системи; пошук об'єкта наступного кроку інформаційної взаємодії (вперше опубліковано в 1998 р. [5, 6] та в 2000 р. [13]).

4. Вперше запропоновано складові моделі користувача інформаційної системи, що забезпечують персоналізацію при побудові інформаційних технологій з урахуванням особистих переваг сприйняття декларативних знань (уперше опубліковано в 1998 та 1999 рр. [6, 7, 8]).

5. Отримали подальший розвиток методи побудови тестів контролю рівня знань користувача, результати якого необхідні для реалізації адаптивних інформаційних технологій; запропоновано метод автоматичного формування тестів типу «на розрізнення» на основі логічного висновку з використанням моделі декларативних знань предметної галузі та формально-логічної моделі діалогового процесу (вперше опубліковано в 2006р. [22]).

6. Удосконалено процес об'єктно-орієнтованого аналізу та проектування інформаційних технологій; запропоновано типове рішення розробки програмних компонентів підтримки діалогової взаємодії, представлене «зразками» уніфікованого процесу проектування (вперше опубліковано в 2003 р. та 2008 рр. [52, 1]).

Новизна наукових положень, що виносяться на захист:

1. Запропонована концепція створення інформаційних технологій систем підтримки прийняття рішень та навчання відрізняється від існуючих наявністю контуру регулювання в інтерфейсі «користувач-комп'ютер» для впливу на характеристики інформаційного потоку з метою їх адаптації до індивідуальних можливостей користувача на основі оцінки його когнітивного стану.

2. Відмінність моделі взаємодії користувача з автоматизованою інформаційною системою, представленою діалоговою машиною, від відомих абстрактних моделей полягає в забезпеченні незалежності цієї моделі від ролей, виконуваних агентами-партнерами діалогу (користувач, програмний агент, середовище) та змісту діалогових повідомлень, наявності пам'яті двох типів, а також у можливості даталогічного планування діалогу на основі оцінки повноти інформації, що зберігається в базі даних.

3. Запропонована формально-логічна модель діалогової взаємодії відрізняється від відомих тим, що вперше з єдиних теоретичних позицій описує інформаційні процедури сприйняття інформації від зовнішнього середовища та від партнера, прийняття організаційних рішень, моніторинг стану користувача, динамічну побудову сценарію діалогу.

4. Модель користувача в інформаційних технологіях підтримки прийняття рішень та навчання відрізняється від відомих розширенням множини атрибутів відображення когнітивного стану користувача, що описують: рівень набутих декларативних знань, пріоритети сприйняття даних, продуктивні можливості, показники втоми за просодичними характеристиками людини.

5. Метод тестування рівня декларативних знань користувача «на розрізнення» відрізняється від відомих забезпеченням автоматичного формування тестового питання та правильних і хибних варіантів відповідей на основі онтологічного моделювання предметної галузі та понятійної складової контенту знань з використанням розширеної множини типових відношень моделі «сутність-зв'язок».

6. Типове проектне рішення як метод розробки адаптивних інформаційних технологій відмінний від існуючих проектних рішень застосуванням концепції інтелектуальних програмних агентів, які реалізують запропоновану в роботі абстрактну діалогову машину, що забезпечує взаємодію діалогових партнерів (користувачів та інформаційної системи) як для інформаційного обміну, так і для забезпечення адаптивних процедур.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, висновки і рекомендації дисертації обґрунтовані коректним використанням математичного апарату, використанням вихідних даних, одержаних безпосередньо із практики, обґрунтованим вибором основних припущень і обмежень, прийнятих при формулюванні постановок наукових завдань, успішною програмною реалізацією розроблених алгоритмів, апробацією та практичним використанням результатів дисертаційного дослідження, що засвідчує збіг теоретичних положень з експериментами.

Практичне значення одержаних результатів. Головний практичний підсумок дисертаційної роботи полягає в тому, що методи, моделі та засоби адаптивних інформаційних технологій, запропонованих у роботі, дозволяють здійснювати побудову та практичне використання програмного забезпечення підтримки прийняття рішень у комп'ютеризованих системах організаційного управління та навчання. Створення інформаційних систем з використанням діалогових машин та типових процедур проектування підвищує якість та скорочує терміни розробки відповідних програмних засобів. Новий підхід до побудови класичних та групових систем підтримки прийняття рішень на основі спеціалізованих програмних агентів, що охоплюють прикладні та адаптивні функції інформаційних технологій, удосконалення на цій основі уніфікованого процесу проектування програмних засобів з використанням шаблонів (зразків) дозволяє заощадити від 7% до 15% часу на кодування програм та контроль якості (в залежності від обсягів бази даних предметної галузі). Результати, що стосуються моделей тестування декларативної складової знань, зменшують витрати часу на формування експертами чи тьюторами «електронних» підручників і тестових множин приблизно на 10 відсотків. Типові шаблони проектування відповідних програмних компонентів скорочують терміни створення інформаційних технологій навчання користувачів. Упорядкування і структуризація текстового представлення декларативних знань предметної області, запропонованих у роботі, забезпечує інтероперабельність таких знань відповідно до вимог стандарту SCORM, що забезпечує економію часу від 7 до 18 відсотків залежно від рівня досвіду авторів-експертів. Адаптація форми повідомлень до особистих когнітивних характеристик зменшує навантаження на органи сприйняття користувача, внаслідок чого на 8-12% збільшується час продуктивної роботи (відсутність утоми).

Результати дисертаційних досліджень забезпечують створення інформаційних технологій, які набувають нових якостей, зменшують інформаційне навантаження на користувачів, що впливає на продуктивність праці й ефективність синтезу рішень у межах їх професійної та навчальної діяльності. Докладний опис застосування результатів дисертаційних досліджень, розроблених програмних продуктів наведено в додатках дисертаційної роботи.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, висновки, рекомендації, що викладені в дисертації та виносяться на захист, розроблені особисто здобувачем. Ряд робіт надрукований у співавторстві. Дослідженню проблем управління когнітивними процесами людини в системі «користувач - комп'ютер» присвячені роботи [2,21,45,46,49]. В них автору належать аналіз і систематизація проблем адаптації до переваг сприйняття інформації та контролю рівня знань.

Дослідженню та побудові моделей інформаційної взаємодії користувача з комп'ютерними системами присвячені роботи [2,5,8,9,13,16,18,23,26,27,31, 34,35, 39,40,41,44,49,55,56], в яких автору належать: систематизація індивідуальних інформаційних переваг користувача, аналіз мотиваційних та «маркетингових» аспектів його інформаційної поведінки; модель представлення знань для автоматичного конструювання питання; специфікація спеціалізованих агентів для систем підтримки прийняття рішень (СППР); інтегрована інформаційна структура когнітивних можливостей, використання логіки питань і відповідей для побудови ІТ оцінки знань користувача; концепцій: несценарної машини діалогу, «пам'яті» діалогу, використання ООП для реалізації «діалогових» агентів; дослідження проблем неповних даних, інформаційних пріоритетів користувача та їх використання для планування діалогового процесу.

Інформаційні процеси в адаптивних автоматизованих системах «електронного навчання» (АСН) досліджувались в роботах [2,3,5,9,11-13,22,25, 43,47,54]. У цих роботах автору належать: дослідження, систематизація та визначення адекватного адаптивним технологіям типу моделі користувача автоматизованих систем навчання (АСН) та СППР; дослідження діалогової взаємодії агентів, мета яких - сприйняття нових знань через використання абстрактних машин та візуальних засобів розробки програмних засобів; інтерпретація комунікативного процесу як перцептивної діяльності індивіда; визначення категорій моделі даних для автоматичної побудови питань; аналіз текстових даних та використання онтологічних методів побудови моделей предметних галузей, використання їх для оцінки сприйнятих знань; визначення структури пари «питання-відповідь» у діалогах для сприйняття знань, «ентропійна» модель користувача; модель взаємодії діалогових агентів у нотації Уніфікованої Мови Моделювання UML, використання CASE-технологій.

Адаптивним моделям інформаційної взаємодії в автоматизованих системах навчання присвячені роботи [2], [5], [7-9], [17], [21], [23], [26], [39], [40], [42], [48], [50], у яких автору належать: визначення діагностичних ознак когнітивних можливостей та вибір засобів тестування для їх моніторингу, структура когнітивного профілю користувача; метод побудови тестових діалогів з використанням логіки питань і відповідей, адаптивні моделі інформаційної взаємодії для управління навчанням; метод визначення рівня втоми користувача за його просодичними ознаками; застосування нечіткої логіки для адаптивних ІТ навчання до форми представлення знань з використанням маркетингових методів визначення переваг споживача-студента, застосування адаптивних ІТ для професійної освіти; дослідження і розробка структурних, інформаційних, логічних основ для побудови програмних методів визначення рівня знань агентів-користувачів; архітектура мультиагентних адаптивних систем навчання; визначення структури і функцій (прецедентів у нотації UML) програмного забезпечення.

Дослідженню інформаційних процесів у системах прийняття раціональних рішень в організаційному управління та створення адекватних цим процесам адаптивних систем класу СППР присвячені роботи [14,15], [28-30], [32,33], [35], [36,37], [52], [53], в яких автору належать: модель несценарного діалогу синтезу рішень, модель раціонального вибору як реалізація пари «питання-відповідь» та їх послідовностей у формі динамічно синтезованого сценарію; визначення множини агентів, що приймають рішення, та спеціалізації кожного агента; мета-сценарії діяльності агентів для кожного етапу прийняття рішення; механізм адаптації інформаційного потоку з урахуванням когнітивних переваг ОПР (осіб, що приймають рішення); моделі в нотації UML для проектування автоматизованих систем CASE-засобами.

Роботи [2,11,19,21-23,33,38,51,53,54,55,59] присвячені експериментальним дослідженням з метою підтвердження адекватності гіпотез, теоретичних положень, запропонованих концепцій і зразків (шаблонів) проектування програмних засобів. У них автору належать: управління проектами створення програмних засобів, вибір інструментальних середовищ, вибір батарей тестів, специфікації програмних агентів, визначення прецедентів (функціональних переліків), реалізація моделей знань та баз даних, специфікації програмних методів агентів, застосування програмних засобів контролю психофізіологічного стану користувача, організація і управління створенням сайту для АПК; архітектура і створення модулів корпоративного навчального середовища, організація експериментів з диференціації слухачів за когнітивними можливостями.

Апробація роботи. Результати досліджень дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на таких національних і міжнародних семінарах, конференціях і симпозіумах: конференція «Функциональная лингвистика: принципы организации текста» (Ялта, 1996), міжнародний симпозіум «Человек: язык, культура, познание» (Кривий Ріг, 1997), конференція «Функциональная лингвистика: прагматика текста» (Ялта, 1997), конференція ІПМЕ НАНУ «Методы и средства компьютерного моделирования» (Київ, 1997), науково-практична конференція УГАС ім. О.С. Попова «Системы и средства передачи и обработки информации» (Одеса, 1997), Четверта українська конференція з автоматичного управління «Автоматика-97» (Черкаси), Третя міжнародна конференція з комп'ютерних систем і мереж у м. Жешув, Польща (The Third International Conference Computer Systems and Networks, Rzeszow, 1999), Шоста міжнародна конференція з сучасних комп'ютерних систем у Технічному університеті м. Щецін, Польща (Sixth International Conference on Advanced Computer Systems Szczecin, 1999), ХХ, ХХII, ХХVI науково-технічні конференції «Моделювання» ІПМЕ НАНУ (Київ, 2000, 2003, 2007), ІІ Конференція «Функциональная лингвистика. Язык. Культура. Общество» (Ялта, 2000), Міжнародна науково-технічна конференція «Приборостроение-2001» (Вінниця - Симеїз), Друга міжнародна конференція з інтелектуальних систем для промислової автоматики (WCIS-2002, Ташкент, Узбекистан), Третя всеукраїнська конференція молодих науковців «Інформаційні технології в науці, освіті, техніці» (ІТОНТ-2002, Черкаси), Сьома всеукраїнська науково-методична конференція «Проблеми економічної кібернетики» в ДНУ (Алушта - Донецьк, 2003), міжнародні наукові конференції «Управління активними системами в бізнесі, освіті, техніці» (Черкаси, 2002, 2003, 2004), Міжнародна конференція пам'яті професора І.І. Мархеля «Нові інформаційні технології в навчальних закладах України» (Одеса, 2005), Міжнародна конференція «Нові інформаційні технології в навчальному процесі» (Одеса, 2005), міжвузівська науково-методична конференція «Засоби та методи «електронного навчання» в неперервній освіті» (Черкаси, 2006), Міжнародна наукова конференція «Сучасний менеджмент у виробництві та гуманітарній діяльності» (Черкаси, 2007), Друга міжнародна науково-технічна конференція «Навколишнє середовище-2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки» (ОДЕУ, Одеса, 2007 р.), міжвузівська конференція «Впровадження кредитно-модульної системи та концептуальні можливості її вдосконалення й підвищення якості знань» (Черкаси, 2007 р.), науково-теоретична конференція «Науково-дослідна робота вищого навчального закладу та її роль у формуванні наукового світогляду й ділових якостей сучасного спеціаліста» (Черкаси, 2008 р.), П'ята науково-методична конференція «Сучасні тенденції розвитку вищої освіти, трансформація навчального процесу у технологію навчання» (ДУІКТ, Київ, 2008), МНПК «Наука 2009: теоретичні та прикладні дослідження» (СУЕМ, Черкаси, 2009). Апробація результатів дисертаційної роботи виконана також через публікації тринадцяти статей автора в фахових виданнях із списку ВАК України інших наукових напрямів (педагогіка, менеджмент, економіко-математичне моделювання).

Публікації. Результати дисертаційного дослідження викладені в 59 публікаціях, з них: 2 монографії (одна у співавторстві), 25 статей у виданнях із переліку фахових видань ВАК України, в 19 тезах доповідей на наукових конференціях та 13 статей в інших наукових виданнях.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота налічує 281 сторінку основного тексту, з них 18 сторінок заповнені рисунками і таблицями, що займають повністю площу сторінки. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновку, списку використаних джерел з 500 найменувань та 9 додатків. Матеріали дисертації ілюстровані 70 рисунками та 21 таблицею.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність проблеми, наведені мета і завдання дослідження, відомості про зв'язки обраного напрямку досліджень з державними програмами і планами наукових досліджень організацій, відзначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів та основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану і систематизацію інформаційних технологій підтримки прийняття рішень та навчання, з урахуванням такого:

- користувач є складовою частиною людино-машинної системи та сприймає значний потік інформації для виконання управлінських функцій і поповнення професійних знань;

- метою автоматизованої системи є формування рішень для управління об'єктами зовнішнього або внутрішнього середовища.

Огляд проблем пошуку, сприйняття та перетворення інформації користувачами інформаційних систем надав можливість зробити висновок про наявність спільної для цих процесів множини інформаційних комунікативних процедур: сприйняття нових знань від партнера (середовища), пошук варіантів рішень (варіантів відповіді), внутрішня переробка та інтерпретація повідомлень, управління наявними інформаційними ресурсами. Систематизація характеристик інформаційних потоків таких процедур може бути використана для побудови адаптивних інформаційних технологій автоматизованих систем, що реалізують найбільш масові процедури обробки інформації. Можливості існуючих програмно-технічних систем інтерактивної роботи з ПЕОМ не забезпечують необхідного комфорту і ступеня «довіри» користувачів у системах підтримки прийняття рішень (СППР) та навчання.

Персональні можливості користувача, що впливають на ефективність сприйняття знань, залежать від рівня набутих знань, форми представлення їх змісту та інших характеристик. Таким чином, індивідуальні пріоритети щодо параметрів інформаційних повідомлень можна використати як джерело інформації про стан користувача, складовими якого є когнітивні можливості, рівень загального інтелекту, мовні характеристики.

Розробка формальних моделей людино-машинних систем та методів взаємодії користувачів з їх ресурсами є традиційними напрямами досліджень вітчизняних та зарубіжних спеціалістів. В.В. Павлов та Г.М. Зараковський розглядали системно-функціональні закономірності діяльності людини в ергатичних системах з метою визначення оптимальних засобів взаємодії людини з машиною, В.Ф. Венда визначив один з класів таких систем як «гібридні інтелектуальні системи». Методи когнітологічних досліджень, посилені моделями штучного інтелекту, забезпечують комп'ютерні технології можливостями створювати персоналізовані професійні системи, що враховують індивідуальні особливості людини.

Рівень компетенції користувачів автоматизованих систем управління різного роду об'єктів в економіці та освіті не тільки визначають успішність професійної діяльності, а вирішальним чином впливають на ефективність засвоєння нової інформації. Методи управління знаннями в людино-машинних системах розглянуто Г.А. Атановим, А.В. Свищевим, А.І.Шевченком, І.С. Якиманською та іншими. Більшість цих методів орієнтовані на комп'ютеризований контроль знань, і слабо досліджена їх застосовність для персоналізованого впливу на поведінку користувача, що навчається. Для такого персоналізованого впливу необхідна модель користувача (І.О. Чмир ). Важливість понятійної складової в моделі знань користувача підкреслює В.П. Гладун. Управління знаннями потребує автоматизованих засобів контролю успішності їх засвоєння, одним з яких є тестування. Питанням побудови та застосування тестів присвячені роботи В.С. Аванесова, І.Є. Булах, В.М. Кухаренка, Ю.І. Машбиця, Е.А. Михайличева, Н.В. Сізих, оцінки індивідуальних особливостей людини сприймати інформацію - роботи Т. Вінцюка, К.І. Кузьміної, У. Найсера, Р. Рідинга та ін.

Досягнення інженерії знань та когнітивної психології дозволяють стверджувати‚ що комунікативні процедури є складовою прийняття рішення. В огляді проаналізовані системи та інтерфейси забезпечення професійної діяльності користувачів у роботах А.М. Довгялло, В.І. Дракіна, В.В. Колоса, Е.В. Попова, С.Ф. Теленика.

У наукових джерелах недостатньо уваги приділяється використанню даних про особливості інформаційної поведінки людини і врахуванню рівня невизначеності знань та повноти даних. Наявні реалізації діалогових систем не забезпечують процедури раціонального вибору. Відомі підходи до побудови адаптивних інформаційних технологій стосуються впливу на представлення інформації, призначеної користувачеві, використовують такі методи: а) управління характеристиками інформаційного потоку користувачем (колір, фон вікна, шрифт, масштаб, зміна «кадру»); б) «ручне» управління представленням даних стороннім експертом (тьютором) на основі застосування автоматизованого тестування характеристик користувача; в) використання «пошукового профілю» користувача для забезпечення релевантності пошукових методів інформаційних технологій.

Актуальними питаннями у сфері комунікативних процедур в ІТ - системах є дослідження логічної структури і властивостей комунікативного інформаційного процесу, еквівалентного інформаційним процесам і моделям: сприйняття інформації, формування рішень, процедурам визначення стану користувача, предметної галузі з метою забезпечення персоналізації (адаптації) взаємодії «користувач - система». Дотепер немає програмних реалізацій засобів контролю і управління навчанням на основі індивідуальних особливостей слухача.

Таким чином, у галузі теорії і практики побудови адаптивних інформаційних технологій залишаються невирішеними такі питання.

- Проблеми адаптивного управління в людино-машинних системах вирішені тільки фрагментарно, наявні адаптивні програмні засоби визначають точки входу в навчальний контент залежно від рівня знань (В.І. Гриценк). Належність до когнітивного типу визначається для користувача локальними програмними засобами (R. Riding.).

- Окремі реалізації адаптивних методів представлення інформації використовуються для впливу на споживача через текстові повідомлення (рекламна діяльність).

- Відсутні методи використання змісту навчання (моделі предметної галузі) для побудови тестів оцінки рівня знань користувачів.

- Пропоновані формальні моделі комунікативних процесів мало придатні для моделювання взаємодії «користувач - система» в умовах тестування знань та для опису структури «тестове питання-відповідь».

Зазначені невирішені завдання у галузі створення інформаційних технологій дозволяють визначити достатньо ефективний та перспективний підхід до підвищення ефективності сприйняття та обробки інформації користувачами, що ґрунтується на адаптивному управлінні представленням інформації з урахуванням індивідуальних можливостей користувача в процесах формування рішень та управління навчанням.

Другий розділ присвячений створенню моделей адаптивної взаємодії інформаційної системи з користувачем, які забезпечують реалізацію функцій сприйняття й обробки даних, моніторинг когнітивних можливостей людини, адаптацію інформаційних повідомлень.

Система «користувач - комп'ютер» розглядається як інформаційна ергатична система, архітектура якої будується на основі моделей інформаційної поведінки користувачів АСН та СППР. Комунікативні процедури займають більшу частину часу, і саме вони забезпечують останній етап прийняття рішення як у навчанні, так і в управлінні системами, - його затвердження або авторизацію. У випадку автоматизованих систем підтримки навчання персоналу (студентів) процедури, що реалізують комунікативні функції, в таких системах забезпечують передавання знань, тестування, взаємодію з системою. Такі інформаційні процедури в середовищі ергатичної системи представлено діалоговими (комунікативними) моделями. Одним із методів дослідження є когнітивний підхід, який оперує моделями сприйняття, розпізнавання, обробки, зберігання інформації інтелектом людини. Розгляд інформаційних процесів, які є засобами комунікативної взаємодії суб'єктів-партнерів, що мають інтелект, підтвердив одну з гіпотез дослідження. Вона полягає у тому, що діалоговий процес, який ініціює «агент» (у широкому розумінні - сутність, що може самостійно діяти в середовищі), та його формальна модель можуть бути концептуальним базисом для створення програмних компонентів інформаційних технологій підтримки прийняття рішень користувачами. Існуючі методи створення інтерфейсу користувача, як правило, є спеціалізованими, з детермінованим сценарієм, не пов'язані із знаннями, накопиченими партнерами, що реалізують діалог.

У роботі в межах концептуального етапу проектування програмних засобів (у рамках «уніфікованого процесу») визначені такі елементи моделювання діалогу. Використано мовну модель спілкування для синтезу повідомлень і обміну ними з партнером-агентом. Планування інформаційної взаємодії партнерів побудовано з використанням перцептивної моделі та оцінки знань діалогового агента, що забезпечує синтез питання пари «питання-відповідь» та визначення послідовності кроків діалогу. Модель взаємодії партнерів як елементарного діалогового акту наведено на рис. 2.

Архітектура системи з адаптивними можливостями реалізації адаптивної технології будується розробниками в ході концептуального етапу проектування.

Для такого етапу візуальна діаграма класів об'єктно-орієнтованого процесу, що наведена на рис. 3, прискорює проектування програмних засобів. Скорочення часу досягається завдяки відсутності процедур аналізу предметної галузі «інформаційна взаємодія агентів, що приймають рішення», виділення сутностей та визначення інформаційних зв'язків, через те, що вони вже представлені на «типовій» діаграмі (рис. 3) програмними агентами та їх методами.

Формально-логічний апарат для опису діалогової взаємодії агентів удосконалено, що забезпечує динамічний (не сценарний) метод планування кроків «питання-відповідь». Такий підхід спрощує програмування інтерфейсів за унаслыдок використання даталогічного (не процедурного) способу планування діалогів та вирішує завдання створення програмних засобів синтезу тестових питань для оцінки рівня засвоєних агентом декларативних знань. Підхід використовує оцінку ступеня повноти бази даних інформаційної системи.

Для оцінки повноти інформації в базі даних застосовано метод аналізу кількості науково-технічної інформації, що утворюється в деякій предметній галузі. У випадку, якщо поповнення бази даних визначається експоненціальною функцією, істинність категорій баз даних розподіляється за законом Ціпфа, а ентропійна функція має вигляд

S = ,

де I - максимальне значення ентропії елементарної категорії у вибірці.

Для прикладних баз даних використовується спосіб оцінки невизначеності даних, що оснований на підході до оцінки рівня адекватності бази даних як інформаційної моделі предметної галузі. Повнота опису сутності в базі даних визначається за допомогою залежності:

де Kr - коефіцієнт невизначеності сутності за множиною зв'язків; Ru - множина зв'язків «ідеальної» сутності; Ri - множина зв'язків деякої сутності; S - множина сутностей бази даних; S+ - множина сутностей, що не мають відношень «належати до суперкласу».

Діалоговий агент будує стратегію (план діалогу) на основі наведених формальних моделей шляхом пошуку в базі даних категорії (сутності або відношення), що має заданий коефіцієнт невизначеності.

Питання до партнера агент породжує таким чином, що відповідь від нього зменшує рівень неповноти бази даних Q-партнера (див. рис. 2).

Для інформаційних технологій навчання персоналу та в галузі освіти агент планує послідовність кроків діалогу з поповнення бази даних на основі запропонованого поділу сутностей за важливістю їх вивчення користувачем:

де Kl - коефіцієнт невизначеності сутності за множиною зв'язків для навчання.

Послідовність кроків реалізації методу формування питань-повідомлень на основі інформаційних ресурсів діалогових партнерів та рівня невизначеності (ентропії) таких ресурсів для забезпечення діалогових процедур здобуття та обробки інформації, необхідної для діяльності ергатичної системи, представимо таким чином.

1. Ідентифікація елементу знань, відносно якого слід формувати питання з використанням (1) для пошуку в слабко структурованих та (2) і (3) - в структурованих базах даних.

2. Формування суб'єкта питання (множини варіантів) в експліцитній формі або з використанням функціональних залежностей.

3. Формування передумови питання, тобто загальних вимог до множини альтернатив, що обмежують вибір складових відповіді.

4. Інтерпретація формального представлення питання у форму (текст, аудіо та ін.) повідомлення пасивному партнерові.

5. Надсилання повідомлення партнерові через комунікативний канал.

6. Процедура оцінки альтернатив пасивним партнером із застосуванням вимог передумови і обмежень вибору до суб'єкта.

7. Інтерпретація відповіді у форму повідомлення активному партнерові.

8. Передавання повідомлення через комунікативний канал.

9. Перевірка відповідності питання вимогам передумови питання і обмежень суб'єкта.

10. Відмова від прийняття відповіді у разі невідповідності формальному опису (інтерогативу) питання.

11. Авторизація відповіді.

Програмні процедури, що відповідають наведеному переліку кроків, визначаються сукупністю методів за діаграмою класів мови об'єктного програмування UML (див. рис. 3) та відповідно до моделі діалогової взаємодії (див. рис. 2). Основні результати досліджень розділу полягають у такому. Побудована модель інформаційної взаємодії агента-користувача з інформаційною системою, основними складовими якої є перцептивний цикл Нейсера, логіка питань-відповідей, програмний агент. Модель забезпечує інформаційні процедури технологій з адаптивними можливостями щодо характеристик користувачів. На її основі побудована модель інформаційної взаємодії множини інтелектуальних агентів, що утворюють мультиагентну систему та охоплюють як ментальні процедури людини, так і операції, що належать програмним сутностям-агентам. Такий підхід забезпечує побудову як програмного інтерфейсу, так і бази знань предметної галузі в ході розробки інформаційних технологій. Уперше завдання створення «несценарного» діалогу вирішене на основі вибору наступного альтернативного кроку діалогу через оцінку неповноти інформації в базі даних. Розроблено візуальне представлення множини програмних сутностей у контексті «уніфікованого» процесу проектування інформаційних технологій у парадигмі об'єктно-орієнтованого програмування, візуальні діаграми «абстрактна діалогова машина» та «абстрактна ентропійна діалогова машина» як типові конструкції (шаблони проектування).

У третьому розділі вирішується завдання створення засобів оцінки рівня знань користувача на основі моделі цих знань. Оцінка необхідна для формування відповідної складової когнітивного стану користувача. У подальшому моделі та методи, створені в розділі 3, використовуються для формування адаптивного управління інформаційним потоком у каналі «система - користувач». Аналіз змісту декларативних знань, що передаються агенту в ході навчання, проведено із застосуванням методів онтологічної інженерії, на основі чого створено мета-опис онтологічної структури знань з предмету та запропоновано методику синтезу тестів типу «який?», «чи-?», «де-?», «коли?». Такі типи питань забезпечують достатній набір відповідних типів тестів з використанням понятійного апарату навчального предмету. Моделювання інформаційних процесів навчання та моделі слухача (користувача ІТ) з використанням діалогового підходу показало, що модель пертурбацій (помилок) слухача надає можливості для конструювання елементів тестового завдання, а саме що модель питання з точки зору мовної комунікації є адекватною тесту для контролю знань, відповідає представленню декларативних знань та забезпечує реалізацію відповідних алгоритмічних процедур. Таким чином, модель бази знань є адекватною потребам комунікаційних процедур, що їх виконують агенти-партнери, забезпечує знаннями процедури логічного висновку для синтезу повідомлень у межах одного кроку діалогового процесу та представляє модель знань предметної області агента-користувача. Більшість питань, метою яких є отримання даних, має формальне представлення «чи-питання», що складаються з суб'єкта, який експліцитно або іншим чином представляє варіанти для вибору та передумову питання:

Qe =f (Сe ,Уe),

де {v1,v2,…vn} Уe - множина варіантів суб'єкту питання з метою отримати нову інформацію, передумова такого питання {s,c,d, n} Се,, де s - вимога вибору кількості варіантів, c - вимога повноти,d - вимога розрізнення. Складні суб'єкти для «який-питання» утворюють варіанти, представлені, наприклад, як У={C1x1,C2x2 ,…,Cnxn}, де C - категорна умова, що зв'язує запитальну змінну x.