Методологія створення інтегрованих систем підтримки прийняття рішень в ієрархічних структурах управління

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Методологія створення інтегрованих систем підтримки прийняття рішень в ієрархічних структурах управління

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

інформаційний управління експертний

Актуальність теми. З семидесятих років минулого століття до цього часу найбільш обґрунтованим методологічним підходом до управління складними організаційно-технічними об'єктами (СОТО) є створення ієрархічних багаторівневих структур (ІБС). Продуктивність ієрархічного підходу полягає, насамперед, у тому, що він дає можливість синтезувати багатоцільові системи прийняття рішень, в яких задача управління великої розмірності подана у вигляді ієрархії більш простих, локальних підзадач, які скоординовані між собою. На певному етапі розвитку систем управління зі структурою у формі ІБС до їхнього складу разом із традиційними аналітичними центрами обробки інформації почали включати експертні системи підтримки прийняття рішень (ЕСППР). Виникнення та поширення застосування ЕСППР в ІБС зумовлено стійкою тенденцією до ускладнення об'єктів управління, що виявляється, насамперед, у постійному зростанні інформаційних взаємозв'язків елементів СОТО. Указана тенденція і призвела до унеможливлення забезпечення потрібної ефективності функціонування СОТО шляхом використання лише традиційних, аналітичних моделей і методів координації, які в свій час було запропоновано в рамках класичної теорії ІБС.

У наш час існує значна кількість робіт, що містять результати досліджень у вигляді часткових моделей, методів і програмно-інструментальних засобів аналізу ІБС і синтезу інтелектуальних систем на основі ЕСППР.

Найбільш визнаними у даній галузі є дослідження таких вітчизняних і зарубіжних учених: Д.О. Поспєлова, Е.В. Попова, В.В. Солодовникова, А.Д. Цвіркуна, В.В. Кульби, В.Н. Вагіна, А.П. Єремєєва, В.А. Віттіха (Росія), Е.В. Лисенка, О.Є. Федоровича, Е.Г. Петрова, В.М. Ілюшка, К.О. Соловйової, І.Б. Сіроджи (Україна), M. D. Mesarovic, D. Macko, Y. Takahara, I. Lefcowitz, D. P. Eckman, L. Lasdon, J. D. Schoeffler, D. W. Hasling, D. A. Waterman, M. D. Grover та ін. У працях цих авторів обговорюються загальнотеоретичні питання аналізу та синтезу ІБС управління СОТО й створення експертних систем (ЕС), а також досліджуються деякі конкретні задачі організації підтримки прийняття рішень на основі ЕС.

Аналіз вітчизняних і закордонних джерел показав, що дослідження в означеному напрямку не відповідають повною мірою сучасним вимогам до технічних характеристик, які необхідно закласти в ІБС управління СОТО під час проектування. Ці обставини приводять до проблеми побудови єдиного інформаційно-управляючого простору в межах складного, топологічно розподіленого об'єкта шляхом інтеграції систем підтримки прийняття рішень для задач управління в ІБС СОТО. Вирішення цієї проблеми із застосуванням існуючих засобів є неможливим тому, що відсутня інтеграція локальних рішень задач управління за допомогою СППР. У зв'язку з цим виникає необхідність створення комплексного системного підходу до розв'язання проблеми інтеграції і координації локальних СППР за допомогою ЕС як складових частин центрів прийняття рішень щодо управління складним об'єктом, розроблення ефективних моделей інтеграції і координації ЕСППР, методів та інструментальних засобів проектування і експлуатації інтегрованих ЕСППР, а на їхній основі - методик формування рішень в ІБС. Ці питання складають суть наукових досліджень, що проведено в рамках даної дисертаційної роботи. Отже, актуальною є наукова проблема, що полягає у забезпеченні ефективності систем підтримки прийняття рішень в ієрархічних багаторівневих структурах управління шляхом створення методології інтеграції і координації СППР з використанням експертних систем для побудови єдиного інформаційно-управляючого простору в межах ієрархічних багаторівневих структур управління складними організаційно-технічними об'єктами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до плану наукових досліджень у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» у рамках держбюджетних науково-дослідних робіт «Створення методології штучного інтелекту для управління складними системами аерокосмічного призначення» (ДР № 0100U003442), «Теорія створення квантових систем штучного інтелекту для прийняття технологічних рішень у виробництві аерокосмічної техніки» (ДР № 0103U004081) і «Створення системної методології виробництва авіаційно-космічної техніки за допомогою сучасних CALS-технологій» (ДР № 0104U002421), в яких автор брав участь як відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження. Основною метою даної роботи є підвищення ефективності ієрархічних систем управління складними організаційно-технічними об'єктами на основі створення методології інтеграції систем підтримки прийняття рішень за допомогою експертних систем, що забезпечить єдиний інформаційно-управляючий простір для управління складними організаційно-технічними об'єктами. Вирішення проблеми забезпечення ефективності систем прийняття рішень в ієрархічних багаторівневих структурах управління потребує розвитку теорії для подолання протиріччя, що існує між принципом відкритості, який є основним при побудові сучасних інформаційно-управляючих систем, та автономністю локальних ЕС як основних елементів СППР у складі ІБС управління СОТО.

Для досягнення поставленої мети в роботі формулюються та вирішаються такі взаємозалежні задачі:

- провести аналіз існуючих і перспективних методів створення складних систем підтримки прийняття рішень, у тому числі ЕС, в ієрархічних структурах управління;

- здійснити теоретичне узагальнення та розробити підхід до класифікації складних об'єктів, нові принципи та методи інтеграції і координації взаємодії локальних ЕС як типових складових інтегрованої ЕСППР для підтримки рішень щодо управління складними організаційно-технічними об'єктами;

- створити математичні засоби системного моделювання інформаційно-управляючих систем складних об'єктів управління для інтеграції ЕСППР;

- розробити методи інтелектуалізації управління (набуття і подання знань і маніпулювання ними) як в межах типових блоків підтримки прийняття рішень, так і у середовищі інтегрованої ЕСППР;

- розробити моделі, методи для реалізації програмно-інструментальних засобів створення інтегрованих ЕСППР у складі ІБС СОТО;

- обґрунтувати та сформувати критерії для оцінки ефективності застосування інтегрованої ЕСППР у складі ІБС СОТО;

- розробити прикладну інформаційну технологію синтезу інтегрованих ЕСППР у складі ІБС СОТО;

- запропонувати експериментальний зразок програмно-інструментальних засобів для створення і експлуатації інтегрованих ЕСППР у складі ІБС СОТО на основі інтелектуальної інформаційної технології у вигляді агентної парадигми;

- провести апробацію теоретичних і прикладних результатів дисертаційного дослідження та впровадження методів, моделей та програм для синтезу інтегрованих ЕСППР у складі ІБС СОТО на об'єктах народного господарства.

Об'єкт дослідження - процес формування й прийняття рішень в ієрархічних багаторівневих структурах управління.

Предмет дослідження - моделі, методи й інформаційні технології інтеграції систем підтримки прийняття рішень на основі експертних систем для ієрархічного управління складними організаційно-технічними об'єктами.

Методи досліджень. Для вирішення наукової проблеми в ході дисертаційного дослідження використано такі теоретичні методи: основні положення теорії класифікації та математичний інструментарій теорії категорій - при визначенні класу СОТО; методи системного аналізу й теорія ієрархічних багаторівневих систем - при розробленні структури інтегрованої ЕСППР; теорія та методи штучного інтелекту, які присвячені проблемам створення систем на основі інтелектуалізації знань - при розробленні моделей та методів набуття, подання знань і маніпулювання ними в інтегрованій ЕСППР; теорія формальних та алгоритмічних систем і теорія програмних агентів - при розробленні прикладної інформаційної технології і програмно-інструментальних засобів синтезу й експлуатації інтегрованих ЕСППР у складі ІБС; теорія геометричного моделювання - при розробленні критеріїв і побудові на їхній основі метричного простору для оцінювання ефективності функціонування як інтегрованої ЕСППР у цілому, так і окремих її елементів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в новому вирішенні важливої наукової проблеми забезпечення ефективності систем підтримки прийняття рішень в ієрархічних багаторівневих структурах управління шляхом створення методології інтеграції і координації СППР з використанням експертних систем для побудови єдиного інформаційно-управляючого простору в межах ієрархічних багаторівневих структур управління складними організаційно-технічними об'єктами.

Нові наукові результати дисертаційного дослідження полягають у такому:

1. Вперше одержано:

- метод горизонтальної декомпозиції структури інформаційно-управляючої системи для складного організаційно-технічного об'єкта, на основі якого синтезовано модель у вигляді набору багатошарових ієрархій (гетерархії) в багатоешелонній структурі, що забезпечує ефективну реалізацію внутрішньорівневих ієрархічних зв'язків між елементами складного організаційно - технічного об'єкта;

- архітектуру типового блока інтелектуальної підтримки прийняття рішень на основі виділення у його складі онтологічної, епістемологічної і когнітивної компонент для реалізації основних етапів побудови знанняорієнтованої технології, що забезпечує можливість здійснення всього комплексу операцій щодо розгортання, настроювання і адміністрування інтегрованої експертної системи підтримки прийняття рішень з єдиного робочого місця інженера-когнітолога;

- метод динамічної декомпозиції бази знань продукційного типу, суть якого полягає у наданні поточного статусу кожному правилу, що забезпечує можливість створення й підтримки єдиного інформаційно-управляючого простору знань, актуальних у поточний момент часу для прийняття ефективних рішень при управлінні складним організаційно-технічним об'єктом;

- метод відображення поточного стану об'єкта прийняття рішень у продукційній базі знань типового блока, суть якого полягає в автоматичній зміні значень тих предикатів антецедентів правил, які безпосередньо відображають відповідні змінні складного організаційно-технічного об'єкта, що дає можливість забезпечити взаємодію епістемологічної та когнітивної компонент типового блока підтримки прийняття рішень інтегрованої експертної системи підтримки прийняття рішень;

- метод ітераційного прямого та зворотного виведення на знаннях для підтримки прийняття рішень щодо управління об'єктами за умов неповної апріорної інформації, суть якого полягає у використанні по черзі зазначених стратегій в рамках однієї ітерації. Застосування даного методу реалізації виведення на знаннях у типових блоках підтримки прийняття рішень із базами знань продукційного типу дає можливість знизити ризик формування невірних рішень;

- модель онтології у формі надлишкового абстрактного графа, яка разом із поданням у часовому континуумі всієї номенклатури операцій управління складним організаційно-технічним об'єктом і відповідних умов їх реалізації (онтологічний аспект) відображає всі конкретні траси виведення на знаннях, які зустрічалися у практиці застосування інтегрованої експертної системи підтримки прийняття рішень при управлінні складним організаційно-технічним об'єктом (епістемологічний аспект), що дало можливість забезпечити зв'язок онтологічної й епістемологічної компонент як у типовому блоці підтримки прийняття рішень, так і в рамках всієї інтегрованої ЕСППР.

2. Удосконалено:

- метод мереж Петрі для подання процесів виведення на знаннях у продукційних системах знань, суть якого полягає у відповідній інтерпретації елементів безпечної мережі Петрі, що дозволяє здійснити синтез моделей виведення на знаннях у формі й/або графа й надлишкового абстрактного графа;

- метод оцінювання ефективності функціонування інтегрованої експертної системи підтримки прийняття рішень на основі аналізу метричних властивостей єдиного інформаційно-управляючого простору, суть якого полягає у геометричній інтерпретації, з метою забезпечення можливості кількісного оцінювання таких характеристик типових блоків інтегрованої експертної системи підтримки прийняття рішень, як ієрархічний статус, обсяг і радіус повноважень.

3. Дістало подальший розвиток:

- теорія ієрархічних багаторівневих систем у частині створення метода вертикальної декомпозиції структур складних об'єктів, а саме, одержано формальне подання вирішальних елементів, що утворюють багатошарову, багатоешелонну ієрархію. Це дозволяє на відміну від існуючих методів адекватно описати організаційну структуру складного організаційно-технічного об'єкта прийняття рішень;

- теорія концептуального моделювання систем у частині синтезу моделей типових блоків підтримки прийняття рішень і моделі інтегрованої експертної системи підтримки прийняття рішень щодо управління складним організаційно-технічним об'єктом, що дає можливість використовувати на практиці інформаційну інтелектуальну технологію створення інтелектуальної експертної системи підтримки прийняття рішень;

- метод моніторингу поточного стану об'єкта прийняття рішень на основі двохетапної обробки даних із застосуванням технології Personal Digital Assistent, який дороблено й розповсюджено на організацію функціонування когнітивної компоненти типового блока прийняття рішень, що дозволяє врахування при управлінні складним організаційно-технічним об'єктом та контролю його поточного стану;

- інтелектуальна технологія в частині створення й підтримки функціонування інтегрованої експертної системи підтримки прийняття рішень щодо управління складним організаційно-технічним об'єктом на основі дотримання принципу єдиного інформаційно-управляючого простору, що дало можливість реалізувати теоретичні положення дисертаційної роботи у вигляді програмно-інструментального середовища синтезу й підтримки функціонування зазначеного типу систем.

Практичне значення одержаних результатів полягає у доведенні розробленої методології інтеграції ЕС до інженерних методик та створенні на їх основі алгоритмічних і програмно-інструментальних засобів побудови і підтримки єдиного інформаційно-управляючого простору в межах складного організаційно-технічного об'єкта управління. Зазначені програмні засоби були використані й впроваджені при розробленні та реалізації підсистеми підтримки прийняття рішень щодо протипожежного лісовпорядкування у складі інформаційної системи лісового господарства на замовлення Українського НДІ лісового господарства та агролісомеліорації ім. Г.М. Висоцького (акт впровадження від 7.02.2008 р.), при організації виробництва ПФ „Спейс”, що спеціалізується на виготовленні самохідних пасажирських трапів (акт впровадження від 21.12.2007 р.), при створенні систем оперативного управління на підприємствах вугледобувної галузі на ВАТ „Укртехноресурс Лтд” м. Донецьк (акт впровадження від 22.12.2007 р.), при автоматизації процесів технологічної підготовки виробництва та оперативного управління виробництвом на ЗАТ „Спецтехскло” м. Константинівка Донецької обл. (акт впровадження від 15.01.2008 р), при створенні інформаційно-управляючих підсистем ведення парку технологічного оснащення для машинобудівних підприємств на НВО „Оснастка” м. Краматорськ (акт впровадження від 12.02.2008 р.), при навчанні студентів і перепідготовці фахівців на факультеті підвищення кваліфікації та перепідготовки кадрів Черкаського національного університету ім. Богдана Хмельницького (акт впровадження від 20.02.2008 р.), у навчальному процесі кафедри системного аналізу та моделювання Донецького інституту автомобільного транспорту (акт впровадження від 18.02.2006 р.), у навчальному процесі кафедри програмного забезпечення комп'ютерних систем Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» (акт впровадження від 1.03.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційного дослідження, які винесені на захист, отримані автором самостійно. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, з питань, що стосуються даного дослідження, автору належать: принципи побудови моделей складних організаційно-технічних об'єктів [1], принципи створення управляючих систем складними організаційно-технічними об'єктами [2], принципи створення єдиного інформаційно-управляючого простору в межах складного організаційно-технічного об'єкта [3], аналіз проблеми інтеграції окремих експертних систем у рамках єдиного інформаційного простору управляючої системи для складного організаційно-технічного об'єкта [5, 36], принцип, методи й засоби інтеграції окремих експертних систем на основі технології програмних агентів [6, 45], подання інтегрованої експертної системи підтримки прийняття рішень у формі типових блоків і принцип організації взаємодії елементів цих блоків [7], архітектура інтегрованої експертної системи підтримки прийняття рішень у вигляді гетерархії як сукупності ієрархій типових блоків, пов'язаних між собою внутрішньорівневими зв'язками [8], архітектура типового блока підтримки прийняття рішень з виділенням онтологічної, епістемологічної і когнітивної компонент [9, 47], метод віддзеркалення поточного стану об'єкта прийняття рішень у продукційній базі знань типового блока підтримки прийняття рішень [10], метод динамічної декомпозиції бази знань продукційного типу [11, 37], метод ітераційного двоспрямованого виведення на знаннях для підтримки прийняття рішень щодо управління об'єктами, про майбутній стан яких апріорна інформація є неповною [12,43], модель онтології у формі надлишкового абстрактного графа [13, 44], метод моніторингу поточного стану об'єкта прийняття рішень на основі двохетапного оброблення даних [14, 48], інтелектуальна технологія створення й підтримки функціонування інтегрованих експертних систем підтримки прийняття рішень щодо управління складними організаційно-технічними об'єктами [15], опис програмних засобів, що реалізують функції проектування, розроблення, впровадження і експлуатації інтегрованих експертних систем підтримки прийняття рішень [17, 49], архітектура інтелектуальної інтегрованої системи підтримки прийняття виробничих рішень [20], інтелектуальна інформаційна технологія діагностування електронних систем і комплексів [21], підхід до створення єдиного інформаційно-управляючого простору в межах складного об'єкта прийняття рішень [22], архітектура інтелектуальної інтегрованої системи управління великомасштабними об'єктами з використанням ГІС [23, 41], узагальнена структура інтелектуальної інтегрованої діагностичної системи електронних систем і комплексів [24], методи створення інтелектуальної інтегрованої системи підтримки прийняття виробничих рішень [25, 42], узагальнена технологія побудови інтелектуальної інтегрованої системи підтримки процесу сертифікації програмного забезпечення систем критичного застосування [26], методи застосування інтелектуальних інформаційних технологій при створенні CALS - систем [27, 34], архітектура підсистеми механообробки у складі інтелектуальної інтегрованої системи підтримки прийняття виробничих рішень [28, 46], інтелектуальна технологія інтеграції систем з різними моделями знань [29], принципи побудови інтелектуальної системи сертифікації програмного забезпечення критичного застосування [30], підхід до застосування ГІС для надбання знань динамічної експертної системи підтримки прийняття рішень щодо управління великомасштабним об'єктом [31, 40], технологія синтезу онтологічної компоненти виробничої інтегрованої системи штучного інтелекту [32], технологія створення онтологічної компоненти системи підтримки прийняття рішень щодо технологічної підготовки виробництва [33], принципи побудови інтелектуальної інтегрованої системи підтримки прийняття рішень щодо контролю якості продукції підприємства авіаційного профілю [34], мережева модель подання знань у формі й/або графа [35], архітектура інтелектуальної інтегрованої системи підтримки прийняття виробничих рішень в задачах попередження та боротьби з крупними лісовими пожежами [38, 39], холонічний підхід до створення інтегрованих інтелектуальних систем управління військами [50].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних наукових, науково-практичних конференціях і семінарах: міжнародній науковій конференції „Концепція розвитку лісової типології в Україні в контексті лісової освіти і підвищення продуктивності лісових насаджень” (Харків, 2000); регіональній науково-практичній конференції „Екологія Харківщини: стан, розвиток, перспективи” (Харків, 2000); міжнародній конференції „Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация последствий” (Рятування 2000), Харків, 2000; 4-му та 6-му міжнародних симпозіумах „Интеллектуальные системы” (INTELS'2000, INTELS'2004), Москва, 2000, 2004; науковій конференції „Інформаційні технології військово-повітряних сил України у ХХІ сторіччі” (Харків, 2001); міждисциплінарній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми гуманізації та гармонізації управління” ( Харків, 2002 ); міжнародній науково-практичній конференції „Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях” (Київ, 2002); міжнародній конференції з індуктивного моделювання „МКІМ-2002” (Львів, 2002); міжнародній конференції з управління „Автоматика - 2002” (Донецьк, 2002); V міжнародній науково-технічній конференції “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве” (Харків, 2002); міжнародній науково-технічній конференції "Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні", ІКТМ (Харків, 2001 - 2007), 8-му, 9-му та 11-му міжнародних конгресах двигунобудівників (Харків, 2003, 2004, 2006); . 8-й, 9-й, 10-й и 11-й міжнародній конференції „Проблемы управления безопасностью сложных систем” (Москва, 2000, 2001, 2002, 2003); . 9-й, 11-й, 14-й, 16-й міжнародній конференції „Новые технологии в машиностроении” (Харків, 2000, 2002, 2004, 2006); 2-й міжнародній конференції „Теория и техника передачи, приема и обработки информации” Ч.2. - Харьков - Туапсе. - 1996. ; міжнародній науково-технічній конференції «Штучний інтелект. Інтелектуальні й багатопроцесорні системи» (Таганрог, 2004); ІІІ міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища та управління екологічною і інформаційною безпекою в регіонах” (Київ, 2005); І міжнародній науково-практичній конференції „Науковий потенціал світу 2004” (Дніпропетровськ, 2004); міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні технології управління екологічною і інформаційною безпекою територій” (Київ, 2005).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладено в 50 друкованих працях, у тому числі 14 статей у наукових журналах і 18 статей у збірниках наукових праць відповідно до списку ВАК України, 3 навчальних посібника, а також 15 тез доповідей у збірках праць наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Рукопис дисертаційної роботи складається зі вступу, семи розділів, висновків і додатку. Повний обсяг дисертації становить 342 сторінки, у тому числі 43 рисунка по тексту, з них 11 - на 8 окремих сторінках, 19 таблиць по тексту, з них 7 - на 5 окремих сторінках, список використаної літератури з 244 найменувань на 23 сторінках і додатку на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено актуальність теми дисертації, мету і задачі дослідження, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів роботи, зв'язок її з планами НДР і НДДКР, визначено особистий внесок здобувача в надрукованих роботах, подано інформацію щодо апробації та публікації результатів дисертації, наведено результати впровадження основних положень роботи.

У першому розділі на основі критичного аналізу сучасного стану теорії експертних систем підтримки прийняття рішень щодо управління складними організаційно-технічними об'єктами визначено, що інтеграція інформаційних ресурсів за допомогою експертних систем дозволяє створити єдиний інформаційно-управляючий простір СОТО. Проведений аналіз підходів до створення управляючої системи СОТО в формі ІЕСППР дав можливість сформулювати низку таких теоретичних задач:

1. Виділення та дослідження класу СОТО засобами концептуального класифікаційного моделювання.

2. Розроблення і обґрунтування архітектури управляючої системи СОТО:

- багаторівневої структури управляючої системи СОТО з використанням методів вертикальної декомпозиції теорії ієрархічних багаторівневих систем;

- гетерархічної частини структури управляючої системи СОТО на основі теорії холонічних систем.

3. Моделювання типових холонів та їхніх сукупностей засобами теорії категорій і концептуального проектування.

Реалізація зазначених теоретичних положень у вигляді спеціального комп'ютерного середовища потребує вирішення комплексу наступних прикладних задач, що утворює епістемологічну базу для удосконалення теорії управляючих систем СОТО.

4. Створення онтології структури управління СОТО як гетерархії, яка ідентична структурі управляючих систем СОТО, при цьому кожний елемент онтологічної системи виступає відповідно до його функцій предметною онтологією.

5. Вибір числення теорії управляючих систем СОТО як набора формальних процедур подання та маніпулювання знаннями для забезпечення колективної взаємодії інтелектуальних центрів оброблення знань в управляючих системах СОТО на основі концепції мультиагентних систем.

6. Опис системи обмежень на управлінські рішення у вигляді множини часткових моделей СОТО, що подані засобами псевдофізичних логік (часової (темпоральної), просторової та причинно-наслідкової (каузальної)).

Задачі 1-3 є центральними у проблемі створення методологічних основ синтезу ієрархії управління СОТО. Саме на їхнє вирішення спрямоване дане дослідження. Задачі ж 4-6 мають підпорядкований характер, їхня реалізація безпосередньо потрібна для створення інформаційної технології синтезу для проектування управляючих систем СОТО.

Таким чином, у результаті проведеного аналізу наукову проблему дисертації сформульовано у вигляді низки задач досліджень.

Основні результати розділу опубліковані в роботах [4, 5, 13, 17, 20, 22, 27] .

Другий розділ присвячено аналізу властивостей СОТО за відомими в теорії класифікації ознаками. За допомогою засобів концептуального моделювання розроблено узагальнену структуру СОТО й типового блока управління у його складі. Сформовано принцип горизонтальної декомпозиції СОТО.

З використанням методів природної класифікації виділено клас СОТО згідно з низкою критеріїв природності (ієрархічності, монізму, системності, властивостей, зв'язності). Застосування цих критеріїв забезпечує параметричність класифікації СОТО в єдиному класифіка-ційному полі. Мовою теорії категорій класифікація СОТО формулюється як задача синтезу для отримання класифікаційної моделі СОТО, що задовольняє такі умови:

* єдність універсуму, тобто існування в деякій категорії , що описує класифікацію СОТО, єдиного ініціального об'єкта, що відповідає по-няттю „надсистема-клас”:

(1)

де - множина всіх морфізмів, початком яких є об'єкт ;

* ієрархічність, тобто кожний об'єкт категорії , що описує класифікацію СОТО, є вершиною конусу і, крім того, для кожного об'єкта категорії існує деяка підкатегорія, для якої він є ініціальним об'єктом:

; (2)

* параметричність, тобто в деякій категорії , що описує класифі-кацію СОТО, існує підкатегорія , що описує властивості будь-яких елементів предметної галузі, яка класифікується:

. (3)

Досліджено і обґрунтовано головні особливості СОТО як ієрархічної системи понять з єдиною вершиною, яка задовольняє названі умови, від-биває системність реальної дійсності та містить властивості усіх своїх еле-ментів. Як змістовна основа формального опису класифікації СОТО використано варіант опису системи понять у вигляді графа, що відповідає наведеним вище критеріям приро-дності. При цьому як вихідні прийнято критерії ієрархічності й монізму. Забезпечено також параметричність класифікації шляхом заданого поділу універсуму (категорії буття (онтології)) на підкласи, що задовольняють поняття знання (епістемології) і породження знань (когнітивності).

Обґрунтовано необхідність загального подання управляючої системи СОТО у вигляді ієрархічної трирівневої структури, де за умов реалізації інтелектуальної технології нижчий рівень (вибору) має когнітивну, середній (адаптації) - епістемологічну, а верхній рівень - онтологічну природу. Розроблено категорну модель зазначеної вище системи у такому вигляді:

Розглянемо категорію А. Клас ObА є кінцевою множиною з розбиттям:

,

де - множина об'єктів, що відповідають системам-класам і-го рівня ієрархії (, тобто на нульовому (верхньому) рівні ієрархії знаходиться тільки один об'єкт (онтологічна система-клас), , тобто на першому та другому рівнях ієрархії знаходяться тільки два об'єкти і (два системи-класи - епістемологічна і когнітивна відповідно),

; , ().

Клас може бути описаний у такий спосіб. Для двох елементів: , :

. (4)

Для довільної пари :

,

де , , . Для будь-якого елементу

. (5)

Для елемента підмножини : . Для довільної пари :

, де , .

Морфізми категорії А як зв'язки між її об'єктами описують родовидові зв'язки між відповідними системами-класами. Після побудови категорії А будь-якому об'єкту будь-якого рівня (окрім нульового) відповідає єдиний морфізм і єдиний об'єкт верхнього рівня, який пов'язано із цим об'єктом за допомогою даного морфізму:

, (6)

де .

Для об'єкта таким морфізмом є , який далі будемо позначати .

Оскільки між множиною морфізмів, що належать парам об'єктів сусідніх рівнів, і множиною об'єктів, що є кінцями цих морфізмів, існує взаємооднозначна відповідність, то ці об'єкти утворюють категорію А^* таку, що , де - множина об'єктів, що відповідають зв'язкам систем-класів , а - множина, що містить об'єкт, який відповідає зв'язку гранично широкої системи-класу („онтологія”) із нею самою. Зокрема, об'єкт відповідає зв'язку системи-класу „онтологія” із системою-класом „знання”, об'єкт - зв'язку системи-класу „знання” із системою-класом „породження знань”.

Клас MorА^* визначається існуванням морфізму об'єкта : в об'єкт : , що являє собою довільну пару морфізмів (), де і , таку, що .

Тому

(7)

Виходячи із наведеного вище визначено ізоморфізм категорій А і А^*, який задається коваріантним функтором F: А > А^*.

На основі категорії А^* описано струк-туру властивостей систем-класів, що відповідають об'єктам категорії А. Це здійснено шляхом побудови категорії В, ізоморфної категорії А^*, яка визначається коваріантним функтором G:А^* > В, при цьому на об'єктах категорії А^* функтор G задано в такий спосіб:

(8)

де - об'єкт, що відповідає системі-класу і-го рівня ієрархії;

(9)

де - об'єкт, що відповідає властивості-класу системи-класу „онтологія”, для одержання якого застосовано морфізм:

 (10)

,

де - морфізм, що відповідає зв'язку класів категорії В;

;

Операція об'єднання категорій А і В дає категорію , таку, що

,

, (11)

де , , .

Показано, що механізм формування управляючої системи СОТО має функціонувати не за принципом складання деякого цілого з яких-небудь частин, а за принципом підтримки наперед заданого цілого із частин, що спеціально для цього призначені. Це є відбиттям двох видів властивостей систем, які входять до складу окремих блоків підтримки прийняття рішень та управляючої системи СОТО в цілому - функціональних властивостей (що відповідають потребам користувача) і підтримуючих властивостей (що є внутрішньою причиною наявності функ-ціональних властивостей).

Сформульовано принцип горизонтальної декомпозиції структури управляючої системи СОТО як наслідок тотожності окремих ієрархій у складі гетерархії з точністю до ізоморфізму.

Основні результати розділу опубліковані в роботах [1, 2, 3, 20, 22, 23, 32, 37].

Третій розділ „Методи організації взаємодії компонент у складі типових блоків підтримки прийняття рішень і складових ІЕСППР СОТО” структурно складається з трьох підрозділів, у кожному з яких наведено відповідний метод організації взаємодії когнітивної, епістемологічної та онтологічної компонент як у складі окремих блоків підтримки прийняття рішень (БППР), так і в рамках ІЕСППР у цілому.

У подальшому будемо використовувати такі позначення:

- множина усіх правил продукції БЗ разом із метаправилами , де - кількість правил продукції; - множина змінних, що входять до складу предикатів антецедентів правил продукції БЗ - множина предикатів, що входять до антецедентів і консеквентів правил продукції з множини ; - множина усіх предикатів, що входять до складу антецедента та консеквента правила .Тут , - множини індексів предикатів відповідно до антецедента й консеквента правила .

Визначення 1. Правило називається метаправилом першого роду (МПР), якщо антецедент цього правила складається з такого предиката:

(12)

де - значення змінної у поточний момент заміру ; - порогова оцінка приросту на інтервалі часу , а консеквент МПР містить предикат вигляду:

 (13)

що свідчить про занесення нового значення у БД у момент часу .

Значення порогової оцінки щодо кожної змінної визначається згідно з припустимою похибкою вимірювального каналу, а також значущістю даного параметра і заноситься в предикати антецедентів відповідного МПР при налагодженні інтерфейсу між БД і БЗ для конкретної системи.

Зрозуміло, що для конкретної БЗ кількість МПР у БЗ відповідає кількості змінних , які входять до предикатів антецедентів БЗ

.

Як видно з (12), МПР визначає факт суттєвої для БЗ ДЕС зміни значення , що контролюється системою моніторингу.

Визначення 2. Віддзеркалення БД у БЗ продукційного типу - це процес обчислення значень предикатів антецедентів , для кожного з правил , які залежать від значення змінної , що було виміряно в момент реального часу .

Визначення 3. Продукційне правилоназивається метаправилом другого роду (МДР), якщо антецедент цього правила є предикатом виду і збігається з консеквентом відповідного МПР , а консеквент МДР визначається умовою:

, (14)

де кожний предикат відповідає певному предикату антецедентів правил продукції БЗ, що залежить від .

Для даної БЗ будь-якому МПР має відповідати своє МДР .

Як видно з визначень 1, 3, доцільно поєднати метаправила у єдиному, узагальненому метаправилі.

Визначення 4. Метаправило називається узагальненим метаправилом (УМП), якщо його антецедент збігається з антецедентом МПР , а консеквент - із консеквентом МДР .

Таким чином, викладений вище метод організації взаємодії БД і БЗ з використанням метаправил надає можливість безперервно віддзеркалювати, майже без запізнювання, у БЗ поточний стан об'єкта керування з метою забезпечення функціонування епістемологічної компоненти БППР у межах ІЕСППР у реальному часі, оскільки віддзеркалення значень змінних БД у БЗ здійснюється практично в моменти кожної суттєвої зміни значень відповідних параметрів.

Наведено метод динамічної декомпозиції продукційних БЗ, що утворюють епістемологічні компоненти БППР, для наступного поєднання цих компонент у межах ІЕСППР. У процесі функціонування БППР серед множини правил продукційної БЗ утворюються такі підмножини: - правила конфліктного набору; - правила-претенденти на включення до конфліктного набору; - правила, що виконуються в даний момент; - правила про-дук-ції, операції яких завершилися в сучасний момент; - правила продукції, операції яких не виконані в сучасний момент у межах припустимого часового інтервалу; - правила, що заблоковані на встановлений час для попередження їхнього повторного спрацьовування.

Припустима тривалість виконання операцій, яка обумовлена експертами, в правилах підмножини на даний момент може бути перевищена, зокрема, через несправності елементів системи. Склад елементів зазначених вище підмножин постійно змінюється таким чином, що в будь-який -й момент у БЗ ДЕС можна виділити дві підмножини:

, (15)

Підмножину доречно назвати активною частиною БЗ епістемологічної компоненти у момент , а - пасивною частиною цієї компоненти у -й момент часу.

Підмножини та характеризують статус кожного правила БЗ у поточний -й момент функціонування епістемологічної компоненти кожного БППР й, отже, стан епістемологічної компоненти ІЕСППР у цілому.

Визначення 5. Поточний стан продукційної БЗ у -й момент функціонування БППР визначається складом підмножин активної частини БЗ, що залежить від поточного стану об'єкта й наявної експертної інформації.

Роль кожної із зазначених підмножин полягає у прискоренні процесу виведення на знаннях у БППР завдяки зменшенню кількості правил продукцій, що розглядаються у кожний момент часу, а також у виявленні відхилень у роботі системи й об'єкта керування (у результаті формування підмножини ).

Підмножина конфліктного набору дозволяє за допомогою виведення на знаннях сформувати й реалізувати розв'язок на об'єкті у вигляді послідовності операцій, що запускаються безпосередньо в результаті виміру в поточний момент змінних на об'єкті.

Підмножина правил-претендентів на включення до конфліктного набору служить для швидкого формування конфліктного набору у поточний момент виміру параметрів об'єкта системою моніторингу.

Склад елементів підмножини правил, що виконуються, визначається всіма операціями, реалізованими на об'єкті в поточний момент часу.

Підмножина завершених у сучасний момент часу операцій виділяється з і може бути використана у підсистемі пояснень ДЕС для визначення шляху формування рішень.

Підмножина містить у своєму складі підмножину правил, що не виконалися, тобто тих правил, для яких відповідні операції не завершилися в межах припустимого часового інтервалу (заданого апріорно експертами) внаслідок, наприклад, порушень у роботі системи.

Результат виміру системою моніторингу в поточний момент часу будь-якого параметра , об'єкта може викликати в загальному випадку зміну значень предикатів, що залежать від цього параметра, , і, отже, зміни в антецедентах і консеквентах правил БЗ, куди входять дані предикати; тут - множина індексів предикатів, що залежать від .

Сформулюємо умови включення й виключення правил продукцій для описаних вище підмножин БЗ безпосередньо після виміру параметрів у -й момент функціонування ДЕС.

Очевидно, у включаються правила продукції, усі предикати антецедентів яких задовольняються, тобто

(16)

де - множина предикатів антецедента правила .

У конфліктний набір можуть бути включені правила продукції тільки з підмножини , оскільки умова задоволення усіх предикатів антецедента (достатня умова) містить умову задоволення у даний момент часу будь-якої частини множини предикатів антецедента (необхідна умова).

Підмножина правил-претендентів на включення до конфліктного набору формується з умови, що в антецедентах цих правил існує хоча б один предикат, що змінив своє значення з нуля на одиницю в результаті останнього виміру в момент часу :

(17)

де - множина індексів предикатів антецедента правил .

У випадку, якщо в результаті виміру в поточний момент значення змінної усі предикати антецедента не будуть задоволені, то відповідні правила продукції мають бути виключені з підмножини безпосередньо після виміру (до початку наступного виміру).

До підмножини правил, що виконуються у поточний момент часу , включаються правила тільки з конфліктного набору (в порядку, зумовленому схемою й стратегією виведення на знаннях), ; у також містяться усі раніше запущені на виконання правила, для яких справедлива умова:

, (18)

де - встановлена тривалість реалізації операції, що відповідає правилу ;

- момент запуску на виконання правила ;

- множина індексів предикатів консеквента .

Завершені правила з , для яких виконана умова:

, (19)

де - множина індексів предикатів консеквента в правила , вилучаються з підмножини і включаються в , тобто предикати консеквентів цих правил виявилися виконаними за даними виміру на об'єкті, проведеного після виконання відповідної операції.

Правила типу , що вже завершені, для запобігання їхньому повторному спрацьовуванню (якщо антецеденти цих правил були колись задоволені) мають бути заблоковані на визначений експертом або передбачений регламентом час , тому в -й момент часу в необхідно включити правила з й усі раніше завершені правила, для яких:

, (20)

де - момент завершення операції, що відповідає правилу .

Підмножина правил продукції, що не виконуються на припустимому тимчасовому інтервалі, , доцільно виділяти з підмножини з метою використання цих правил для аналізу причин порушень у роботі об'єкта.

У включаються правила з незадоволеним консеквентом, для яких тривалість реалізації у поточний момент виявилася перевищеною, тобто:

(21)

де - множина індексів предикатів консеквента правила ;

- момент початку операції, що відповідає правилу .

Очевидно, правила активної частини БЗ, що не задовольняють у момент жодну з умов (16)-(21), включаються у пасивну частину .

Для забезпечення нормальної роботи БППР принципово важливо, щоб час формування підмножин активної частини у будь-який -й момент функціонування системи був меншим за інтервал між вимірами параметрів об'єкта системою моніторингу:

. (22)

Процес формування підмножин активної частини відбувається на основі принципу динамічної декомпозиції БЗ.

Визначення 6. Динамічна декомпозиція епістемологічної компоненти БППР у момент часу - це процес формування множин на основі переходу правил з однієї підмножини в іншу в рамках:

, (23)

за умовами (16) - (21) за час, що задовольняє вказану умову.

Наведено метод двоспрямованого виведення на знаннях у вигляді ітераційного процесу, на кожній ітерації якого зворотним виведенням визначається множина , що гарантує досягнення мети при його виконанні на інтервалі часу і формується прямим виведенням раціональне рішення у вигляді послідовності дій на об'єкті, що виконуються на інтервалі реального часу .

Метод двоспрямованого виведення на знаннях містить такі кроки:

1. Прогнозування значення цільового предиката і моменту його досягнення .

2. Прогнозування на інтервалі [] збурень .

3. Формування на інтервалі [] зворотною стратегією ВНЗ

множини дій для прогнозованих збурень.

4. Визначення часового інтервалу , на якому існує досить повна інформація про збурення.

5. Формування за допомогою прямої стратегії ВНЗ послідовності дій , , сумарна тривалість яких не перевищує .

6. Реалізація дій з множини на об'єкті прийняття рішень.

7. Якщо цільовий предикат задовольняється - закінчення роботи, в іншому випадку - перехід до кроку 1 при значенні поточного моменту часу .

Розроблено модель онтологічної компоненти БППР у формі надлишкового абстрактного графа, яка дає можливість безпосередньої взаємодії онтологічної й епістемологічної компонент як окремих БППР, так і ІЕСППР в цілому.

Основні результати опубліковані в роботах [4 - 6, 16 - 19, 21, 31, 35, 36, 40].

Четвертий розділ включає в себе загальну методику побудови ієрархічної структури управляючої системи СОТО, в основу якої покладено схему двохетапної оптимізації (перший етап - створення «ідеальної» статичної структури, другий - динамічне настроювання структури).

Методика складається з таких основних етапів: передпроектне дослідження СОТО; уточнення структури, множини цілей і задач; визначення орієнтовного числового і якісного складу підрозділів; побудову набору первісних ієрархічних структур і поєднання їх у гетерархію; динамічне настроювання структури управляючої системи СОТО.

Наведено процедуру виміру ієрархічного рангу будь-якого БППР як елемента відповідної ієрархії управляючої системи СОТО в формі ІЕСППР з урахуванням неформальних аспектів ранжування. Співвідносні властивості БППР формалізуються шляхом введення організаційної метрики, що приводить із урахуванням ієрархічних розшарувань до моделі ІЕСППР як сукупності метричних організаційних просторів.

Для опису СОТО використовується скінченна модель інформаційно-управляючого простору, при цьому розглядається простір розмірності два, тобто площина, що дозволить спростити викладення й дати наочну геометричну ілюстрацію. За необхідності легко узагальнити ці поняття для простору довільної розмірності.

Позиція БППР являє собою точку (вектор) на площині: у концентрованому вигляді. Ця позиція характеризує повноваження, які має в інформаційно-управляючому просторі агент, що займає цю позицію. Позиція БППР ототожнюється з агентом, що її займає. Оскільки безпосереднє використання векторних змінних у ряді випадків утруднене (наприклад, не можна порівнювати вектори), для більш детального аналізу доцільно введення числових (скалярних) характеристик позиції БППР. У своїй сукупності ці характеристики містять інформацію про внутрішні властивості позиції БППР; аналіз відносних властивостей позиції вимагає розгляду метрики в єдиному інформаційно-управляючому просторі.

Перша з таких характеристик - довжина проекції позиції БППР на одну з координатних осей, що відповідають полям інформаційно-управляючого простору. Таким чином, позиція БППР як точка на площині має координати х і у (компоненти вектора) і вказує на особливості, які характеризують вплив агента у відповідних полях єдиного інформаційно-управляючого простору.

Статус БППР - потенціал повноважень, що приписується позиції з урахуванням суб'єктивних оцінок величини повноважень в окремих полях інформаційно-управляючого простору. Статус визначають згідно з формулою:

, (24)

де s - значення статусу для позиції (х,у); , - відносні ваги компонент х, у відповідно. Доцільно вважати, що 0 , 0, +=1. Компоненти є суб'єктивними оцінками позиції БППР, що приписується потенціалу впливу.

Радіус повноважень - довжина вектора позиції БППР, тобто:

, (25)

де х , у - компонента розглянутої позиції БППР в інформаційно-управляючому просторі.

Обсяг повноважень для позиції БППР визначається формулою:

, (26)

де х , у - компонента позиції БППР.

Радіус повноважень характеризує «спеціалізованість» позиції БППР: його величина тим більше, ніж більше виражений потенціал БППР у деякому полі в порівнянні з іншими полями інформаційно-управляючого простору. Обсяг повноважень, навпаки, є характеристикою «стійкості» позиції: він великий для тих позицій, потенціал яких рівномірно розподілений у різних полях.

Аналіз співвідносних властивостей позицій БППР вимагає введення відстані (метрики) між позиціями в єдиному інформаційно-управляючому просторі. Для цього використано формулу:

. (27)

При цьому функція , що задовольняє всі властивості метрики:

, тобто відстань між позиціями БППР дорівнює нулю тоді й тільки тоді, коли ці позиції збігаються;

, тобто відстань від позиції х до позиції у така ж, як і від у до х;

, тобто сума відстаней між позиціями х та у і між у та z не менше, ніж між х та z («нерівність трикутника»).

Визначення 7. Множина позицій БППР в єдиному інформаційному просторі X з уведеній на ній метрикою (27) є метричним простором .

Дискретний інформаційний простір Х з метрикою (27) являє собою спрощений різновид евклідова простору. Як модель групи БППР в інформаційному просторі розглядаються послідовності позицій (n = 1,2,...), що дозволяє скористатися всіма можливостями формального апарата теорії метричних просторів.

Для порівняння одного поля інформаційно-управляючого простору (ієрархії БППР) з іншим полем з погляду його однорідності використано діаметр метричного простору, тобто величину:

. (28 )

Чим більше величина d, тим вище гетерогенність єдиного інформаційно-управляючого простору , і навпаки.

З використанням метрики (27) можна виділяти спільності БППР за допомогою процедур кластеризації, тобто поєднувати в один клас близькі за характеристиками БППР. Наведений вище інструментарій призначено для реалізації процедури динамічного настроювання ІЕСППР СОТО. В даному розділі проведено аналіз метричних властивостей єдиного інформаційно-управляючого простору.

Основні результати розділу опубліковані в роботах [8, 13, 22, 32, 33, 34, 43].

П'ятий розділ присвячено розробленню програмно-інструментальних засобів створення і підтримки функціонування УС СОТО із застосуванням технології програмних агентів. Наведено опис експериментального зразка ІЕСППР щодо управління СОТО.

Основні результати розділу опубліковані в роботах [16, 17, 19, 21, 23, 25, 26, 31].

Шостий розділ містить розроблення експериментального фрагмента „Технологічна служба” (ТС) у рамках створення ІЕСППР авіабудівного підприємства (рис. 1). Блоки прийняття рішень позиціоновані шляхом горизонтальної декомпозиції стосовно структури виробництва. При цьому проведено спеціалізацію центрів оброблення знань (БППР), а також інтеграцію знань шляхом їхнього агрегування відповідно до багаторівневого подання. Наведено результати оцінювання ефективності функціонування УС СОТО на основі ІЕСППР шляхом визначення ступеня гомеостазу (рівноважного стану) системи.

Рис. 1. Стратифіковане подання структури блоків підтримки прийняття рішень щодо функціонування технологічної служби авіабудівного підприємства

...