Использование методов ресурсно-календарного планирования для интеллектуальной поддержки построения интегрированных экспертных систем

Г.В. Рыбина 115409 Каширское шоссе, 31, Московский инженерно-физический институт (государственный университет), galina@ailab.mephi.ru., М.Г. Иващенко¹

Рассматриваются особенности используемых в составе инструментального комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ методов и программных средств интеллектуальной поддержки процессов построения интегрированных экспертных систем. Описывается модифицированная модель интеллектуальной среды и ее базовые компоненты, в том числе интеллектуальный планировщик, ориентированный на использование ресурсно-календарного планирования.

Введение

Современные разработки крупных программных систем, в том числе интегрированных экспертных систем (ИЭС), построение которых осуществляется на основе задачно-ориентированной методологии [Рыбина, 1997] и поддерживающего ее инструментального комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ [Рыбина, 2004], не обходятся без составления детального календарного плана работ по проекту с учетом отведенных ресурсов, а также средств контроля за исполнением этого плана. Кроме того, нельзя представить процесс разработки сложной системы без анализа возможных рисков проекта как временных, так и финансовых.

Поэтому наличие средств ресурсно-календарного планирования (РКП), встроенных в АРМ инженера по знаниям [Рыбина, 2005], каковым по сути является комплекс АТ-ТЕХНОЛОГИЯ третьего поколения, позволит инженеру по знаниям оценивать время выполнения проекта, затраты на проект, строить оптимальный по времени или по затратам график работ над проектом и контролировать состояние дел в проекте.

Цель данной работы - показать новые функциональные возможности комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ третьего поколения, обеспечивающие элементы "интеллектуализации" процессов построения ИЭС на основе знаний о типовых проектных процедурах разработки систем и их компонентов для конкретных классов задач и проблемных областей (ПрО), в том числе с использованием методов РКП.

Актуальность проблемы интеллектуальной поддержки процессов разработки ИЭС не вызывает сомнений, поскольку вопросы снижения трудозатрат на разработку и смягчение квалификационных требований к проектировщикам (инженерам по знаниям) являются сегодня одними из важнейших у ведущих производителей программного обеспечения во всем мире (фирмы IBM, Microsoft, CA и др.).

1. Модель интеллектуальной среды поддержки разработки ИЭС

В основу понятия "интеллектуальная среда", введенного в конце 90-х годов в работах [Рыбина, 1997; Рыбина и др., 1998], были положены некоторые базовые принципы, подходы и методы, созданные в области интеллектуальных пакетов прикладных программ (ИППП) - широко известного в 1980-е годы класса отечественных систем МАВР, ПРИЗ, СПОРА, ДИСАР, РЕГЕНД и др., которые позволяли конечному пользователю решать задачи на ЭВМ, давая их содержательные описания и определяя значения исходных данных без непосредственного программирования процессов решения задач. Эволюционное развитие базовых идей ИППП и подходов, использующихся сегодня в информационных и агентно-ориентированных технологиях управления проектами, позволили разработать совокупность моделей, методов и средств интеллектуальной поддержки процессов построения ИЭС [Рыбина, 2005], апробация которых проводилась при создании прикладных ИЭС для задач медицинской и технической диагностики, а также проектирования корпоративных информационно-вычислительных сетей.

Опыт реализации данных приложений показал, что полностью исключить участие человека из процессов принятия решений в ходе разработки практически невозможно, поэтому дальнейшие исследования были направлены на углубление и расширение степени автоматизации процессов планирования и управления проектами создания ИЭС. Одним из простейших, но достаточно эффективных способов решения этой проблемы является применение широко известных методов РКП в симбиозе с методами, на основе которых реализуются компоненты интеллектуальной среды комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ.

В работах [Рыбина, 2005; Рыбина и др., 2005] приводилось описание базовой модели интеллектуальной среды поддержки разработки ИЭС. Применение методов РКП для управления проектом по разработке прототипа ИЭС привело к частичной модификации модели интеллектуальной среды (М_АТ), которая теперь представлена пятеркой вида:

М_АТ = <KB_M, K, P, Т, R >,

где K B_M - модифицированная база знаний (БЗ) о составе проекта и типовых проектных решениях (типовые проектные процедуры, повторно используемые компоненты и др.), используемых при разработке ИЭС;

К = {K_i} - множество текущих контекстов K_i, i=1,…,m, состоящих из множества объектов из KB_M, редактируемых или выполняющихся на текущем шаге управления;

P - специальная программа - интеллектуальный планировщик, управляющая процессами разработки и тестирования ИЭС;

Т={T_i} - множество инструментов T_i, i =1,…,n, применяющихся на различных этапах разработки ИЭС;

R - множество средств для формирования и контроля исполнения ресурсно-календарного плана проекта.

Элементы модели K, P и T остались неизменными и детально описаны, в частности, в [Рыбина, 2005], а в модифицированный элемент KB_M добавлен компонент, содержащий знания о взаимосвязях между различными задачами (используемых при реализации различных типовых проектных процедур), о расширенных характеристиках задач (например, длительность задачи, трудоемкость и т.п.), о ресурсах, необходимых для реализации задач.

В фокусе внимания данной работы находится элемент R - это новый элемент модели М_АТ, описывающий средства для формирования и контроля исполнения ресурсно-календарного плана проекта.

интеллектуальная поддержка экспертная программное

2. Цели и задачи ресурсно-календарного планирования в рамках интеллектуальной поддержки процессов разработки ИЭС

В классическом виде постановка задачи РКП сводится к задаче оптимального распределения ресурсов таким образом, чтобы все операции комплекса работ над проектом были выполнены за минимальное время, либо таким образом, чтобы потери от временной задержки были минимальны [Бурков и др., 2001]. Однако для каждой конкретной ПрО использование методов РКП носит совершенно определенную и зачастую весьма узконаправленную цель, потому для описания постановки задачи РКП в разных областях применяются разные способы, исходя из преследуемых целей (примеры постановок задач РКП приводятся в [Бурков и др., 2001; Танаев и др., 1998]).

В данной работе предложен подход, основанный на использовании методов РКП для повышения эффективности процессов интеллектуальной поддержки создания ИЭС, а именно:

· автоматизированное формирование перечня задач, их иерархии, определение характеристик задач, распределение ресурсов проекта;

· автоматизированное построение календарного графика выполнения задач с учетом рисковых показателей проекта;

· повышение эффективности этапа оперативного управления за счет применения базовых механизмов интеллектуальной среды и автоматизации этапов построения структурного и календарного планов;

· поддержка применения типовых проектных процедур (ТПП) и повторно-используемых компонентов (ПИК) в рамках процессов РКП.

В целом применение адаптированных методов РКП позволяет в рамках данного подхода обеспечить эффективную поддержку всех этапов от построения структурного плана до получения нового информационного ПИК в виде типового плана разработки прототипа ИЭС для конкретной ПрО и конкретных условий. Модификация традиционных методов РКП сводится к гибридизации традиционного РКП с методами ИЭС, что позволяет использовать декларативные способы описания знаний о процессах планирования, обеспечивая более гибкие возможности настройки средств, реализованных в рамках данного подхода, и более широкий спектр ПрО, для которых они могут применяться.

Для поддержки решения задач РКП в рамках описываемого подхода разработаны специализированные средства (элемент R модели М_АТ), которые могут быть представлены в виде:

R = <RC, NP, CP, Res, Risk, Con, DB>,

где RC - процедура формирования ресурсно-календарного плана на основе структурного плана, построенного интеллектуальным планировщиком;

NP - средства управления сетевым планом проекта (обеспечивают возможность просмотра и редактирования сетевого плана проекта, построенного планировщиком);

CP - средства управления календарным планом проекта (используются для просмотра календарного плана проекта в виде диаграммы Гантта, а также управления всеми временными параметрами проекта, включая ограничения на задачи);

Res - средства управления ресурсами проекта (предназначены для управления ресурсами, отведенными на проект, а также вывода рекомендаций по составу участников проекта из числа авторизированных пользователей комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ);

Risk - средства анализа рисков проекта (автоматическое определение рисков выполнения проекта);

Con - средства контроля за выполнением проекта в соответствии с календарным планом (используются для оповещения участников проекта о срыве сроков проекта, о последствиях задержки в выполнении конкретной задачи, автоматического определения времени завершения каждой задачи и формирования отчетов о состоянии проекта);

DB - хранилище для статистики по выполнению задач (пополняется автоматически при завершении проекта по разработке ИЭС конкретными данными о запланированных и фактических параметрах операций и о взаимосвязях между операциями, а также может быть использовано как дополнительный источник для пополнения БЗ планировщика).

3. Методы и алгоритмы интеллектуализации процесса ресурсно-календарного планирования

В соответствии с [Рыбина, 2005], важнейшим базовым элементом модели М_АТ является интеллектуальный планировщик (ИП), благодаря которому осуществляется построение, исполнение и контроль выполнения плана разработки ИЭС. Интеллектуализация процесса РКП также основана на использовании возможностей планировщика, БЗ которого была расширена знаниями о характеристиках задач, их взаимосвязях и рисках проекта, что позволило использовать механизмы интеллектуальной среды для синтеза структурного плана на начальном этапе разработки и анализа календарного плана в ходе разработки.

Общий алгоритм реализации процесса РКП в рамках предложенного подхода может быть описан следующим образом. Процесс начинается с построения структурного плана, создание которого заключается в определении перечня задач, включенных в будущий план разработки. Автоматизация этого этапа достигается за счет первоначального определения тех характеристик решаемой задачи, связанных с особенностями ПрО, которые могут описываться как в виде некоторых качественных или количественных признаков, так и в виде иерархии расширенных диаграмм потоков данных. Затем на основе анализа указанных характеристик из репозитория готовых планов производится выбор базового плана, адаптация которого происходит с учетом специфических особенностей задач, решаемых ИЭС.

Важно отметить, что сначала выполняется процедура автоматической адаптации, осуществляемая ИП за счет моделирования процесса разработки прототипа ИЭС на основе специальных знаний ИП о способах реализации конкретных задач, а также дополнительной уточняющей информации от инженера по знаниям (предусмотрена возможность проведения ручной коррекции списка задач, входящих в состав структурного плана разработки).

Следующим этапом является определение характеристик плановых задач. Этот процесс осуществляется на основе специфических знаний ИП о ходе разработки, типах задач, статистических данных о прецедентах, собранных в специализированном хранилище, в результате чего формируются характеристики задач, входящих в состав структурного плана (например, трудоемкость, обязательность, вес и т.п.). После проведения автоматической обработки списка задач инженер по знаниям может провести ручную коррекцию отдельных характеристик плановых задач. Затем с помощью ИП производится автоматическое создание списка типов ресурсов и групп ресурсов без указания особенностей работы с ними (если особенности не являются глубинными), а также проводится формирование возможной календарной загрузки ресурсов (аналогично, имеется возможность проведения ручной коррекции списка ресурсов, их характеристик и их календарной загруженности).

На следующем этапе строится начальный (базовый) календарный план, что включает формирование последовательности задач, связывание задач с ресурсами, определение приоритетности задач, описание рисков проекта. Сначала выполняется автоматическое построение календарного плана за счет совмещения структурного плана и информации о ресурсах проекта, а затем на основе статистической информации из специализированного хранилища и БЗ планировщика производится формирование информации о рисках проекта (предусмотрена возможность контроля рисковых параметров проекта за счет применения различных методов анализа рисков, в частности, метода Монте-Карло, а также управления приоритетами задач, характеристиками задач, последовательностью задач и т.п.).

Завершающим этапом является контроль выполнения плана в ходе разработки, что включает выполнение таких процедур, как:

· коррекция построения плана в соответствии с текущим календарным планом (осуществляется контроль за соответствием исполняемого плана и базового календарного плана);

· адаптация базового календарного плана в зависимости от состояния проекта и сложившейся ситуации (имеется возможность коррекции базового календарного плана как в ручном режиме, так и в автоматическом, что позволяет, в частности, использовать спиральную модель жизненного цикла разработки);

· расширение БЗ планировщика о возможных рисках проекта при модификации базового календарного плана или при сравнении базового календарного плана с текущим календарным планом (используется для пополнения статистической информации о возможных рисках проекта при решении определенных задач, что позволяет в будущих проектах проводить в автоматическом режиме более точные оценки);

· сравнение текущего состояния календарного плана с базовым и получение отчетности о состоянии проекта (проводится сравнение по определенному набору параметров базового календарного плана с текущим планом и выдача заключения об имеющихся отклонениях).

4. Особенности реализации методов ресурсно-календарного планирования в рамках интеллектуальной среды поддержки разработки ИЭС

Как было показано в [Рыбина, 2005], важное место при построении и исполнении планов разработки прототипов ИЭС занимают методы ТПП и ПИК. В целом общий подход использования ТПП и ПИК при построении ИЭС изменен не был, т.к. базовые основы, применяемые в рамках интеллектуальной поддержки процессов разработки ИЭС, являются достаточно универсальными.

Применение методов РКП повлекло лишь расширение набора ТПП, предназначенных для работы с соответствующими механизмами планирования, а также разработки отдельных ПИК, позволяющих реализовывать этапы разработанных ТПП. Например, создана новая ТПП, включающая в себя следующие этапы: построение структурного плана; адаптация структурного плана; определение характеристик плановых задач; определение ресурсов и их характеристик; построение базового календарного плана; коррекция/адаптация базового календарного плана; сбор статистической информации о состоянии проекта; контроль выполнения плана; получение отчетности о ходе проекта. Следует отметить, что каждый из перечисленных этапов ТПП, в свою очередь, декомпозируется на более мелкие этапы. Программная реализация данной ТПП позволяет успешно применить РКП в рамках задачно-ориентированной методологии и поддерживающих ее средств комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ.

Соответственно, в части развития ПИК разработан ряд компонентов, как процедурных, так и информационных, осуществляющих поддержку реализации, описанной выше ТПП и предоставляющих следующие возможности:

· процедурные (реализация функций построения и редактирования структурного и календарного планов, реализация функций адаптации выбранного из репозитория базового плана и автоматического создания текущего плана на основе моделирования процесса разработки, реализация функций создания отчетов о состоянии проекта);

· информационные (поддержка и использование репозитория готовых планов разработки проектов, хранилища статистической информации об использовании и характеристиках различных задач, хранилища статистической информации о рисках проекта).

В настоящее время проверка эффективности применения разработанных ПИК и ТПП находится в стадии экспериментального исследования, а также проводятся работы по наполнению информационных хранилищ, от полноты которых напрямую зависит эффективность предложенного подхода.

Заключение

Дальнейшие исследования связаны с расширением информационных ресурсов (репозиториев), используемых как для адаптации базового плана, так и для организации работы средств интеллектуальной поддержки в целом.

Применение методов адаптивного планирования позволит также осуществить использование спиральной модели жизненного цикла, позволяя экономить время и ресурсы на каждом новом витке развития прототипов ИЭС, разрабатываемых в среде комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ, за счет применения готовых планов уже не разработки, а доработки системы, хранящихся в едином репозитории.