Геловани В.А. и др. Интеллектуальные системы поддержки принятия решений в нештатных ситуациях

Подождите немного. Документ загружается.

3.3. Анализ систем поддержки принятия решений 111

основанные на правилах. Наиболее распространенный тип оболочек.

Используют продукции типа ЕСЛИ—ТО—ИНАЧЕ как для предста-

вления знаний, так и организации дерева вывода;

гибридные. Эти системы используют специальные модели для пред-

ставления знаний — семантические сети, фреймы — для предста-

вления сложных взаимосвязей между хранящимися знаниями;

специфичные. Используют узкоспецифичные методы хранения

и представления знаний из строго определенной области и раз-

работанные специально для этих целей.

Глава 4

Инструментальные программные средства

разработки

систем

поддержки

принятия решений

4.1.

Классификация инструментальных средств

Можно выделить 3 вида инструментальных средств (ИС) проектиро-

вания СППР:

1) к этой группе относятся экспертные оболочки, которые поддер-

живают определенную МПР. В таких оболочках фиксирована структура

как БЗ, так и БД. Есть решатель, реализующий определенный алгоритм

применения знаний. Разработчик СППР не может изменить этот алго-

ритм. Как правило, в таких системах реализован стандартный интерфейс

между СППР и

ЛПР.

Процесс создания СППР в подобной среде заключа-

ется в определении набора параметров, хранящихся в БД, и заполнении

БЗ правилами определенного вида. ИС этого типа имеют следующие

преимущества:

а) простота использования и возможность быстрого получения ра-

ботающего прототипа экспертной системы;

б) определенность МПР позволяет встроить в инструментальную

среду дополнительные возможности. Например, возможность проверки

знаний в БЗ на полноту и непротиворечивость;

в) как правило, МПЗ, поддерживаемые такими ИС, отражают пред-

ставление знаний в сознании экспертов определенного круга предметных

областей. Поэтому ЛПР, который не обязательно является специалистом

в области представления знаний и еще меньше — в программировании,

в принципе, может самостоятельно создавать СППР в подобной среде,

а также корректировать БЗ, в том числе в рабочем режиме;

г) такие СППР несложны, а следовательно, недороги и нетребова-

тельны в отношении аппаратной платформы.

Жесткая определенность МПР имеет как указанные выше преиму-

щества, так и некоторые недостатки. Представление некоторой суще-

ственной части знаний о конкретной предметной области может быть

затруднено в рамках данной МПР. В этом случае была бы полезна некото-

рая надстройка над МПР. А возможности создания такой надстройки нет.

Примером подобной среды разработки может служить система

СПРИНТ. Но в этой системе нет жестко запрограммированного ин-

тер)фейса с оператором, а есть набор примитивов, который позволяет

быстро и эффективно конструировать систему отображения информации

для каждой конкретной СППР;

4.2.

Обзор инструментальных средств разработни

СППР

ИЗ

2) универсальные системы программирования (СИ, ЛИСП, ПРО-

ЛОГ и т. п.) + определенный набор библиотечных функций для проек-

тирования СППР.

Преимуществом данного подхода является то, что конечный продукт

(конкретная СППР) независим от инструментальной среды разработки

в том смысле, что может работать вне этой среды.

Недостатком является трудность разработки и отладки каждой СППР

из-за отсутствия поддержки разработчика. Разработкой может заниматься

только профессиональный программист. Другой недостаток

—

трудность

верификации конечного продукта из-за отсутствия универсальных вери-

фикаторов.

Некоторую комбинацию ИС 1-го и 2-го вида представляет собой си-

стема СИМПР, разработанная на кафедре ПМ в МЭИ. Она имеет встро-

енный решатель и поддерживает создание базы знаний в виде таблиц

решений. Однако правила базы знаний содержат только идегггификаторы

антецедентов и консеквентов. А их интерпретация (определение истин-

ности условий и осуществление действий) возложены на независимые

программы, созданные в универсальных системах программирования;

3) ИС, которые поддерживают определенную МПР и имеют средства

как для надстройки над этой МПР, так и для создания совсем новой МПР.

Недостаток подобных систем

—

их высокая стоимость. К тому же они

требуют дорогостоящей аппаратной гшатформы. Еще один недостаток,

связанный с первым, заключается в том, что такие системы, как прави

ло,

не позволяют создавать независимые приложения. Принципиально

такая возможность существует, однако разработчики ИС предпочитают

ее не реализовывать. Тем самым они вынуждают конечных пользователей

экспертных систем приобретать в нагрузку к СППР еще и инструмен-

тальную среду ее разработки.

Однако преимущества таких систем также очевидны. Они вытекают

из блочного принципа разработки СППР. Для конструирования различ-

ных частей СППР предназначены различные блоки (примитивы). Если

же к какой-либо части СППР предъявляются специфические требования,

нереализуемые при помощи данного набора примитивов, то есть возмож-

ность создания и интеграции в среду новых примитивов с помощью

встроенного или внешнего универсального языка програМдМирования.

ИС ДИЭКС [89] относится как раз к этому классу мощных средств

разработки СППР.

4.2.

Обзор инструментальных средств разработки СППР

Инструментарий для создания СППР реального времени впервые вы-

пустила фирма Lisp Machine Inc в 1985 году. Этот продукт предназначался

для символьных ЭВМ Simbolics и носил название Picon. Его успех привел

к тому, что группа ведущих его разработчиков образовала фирму ДИ-

ЭКС,

которая, значительно развив идеи, заложенные в Picon, выпустила

в 1988 году инструментальное средство под названием ДИЭКС. С от-

ставанием от ДИЭКС на два-три года ряд других фирм начал создавать

114 Глава 4. Инструментальные программные средства

свои инструментальные средства. Назовем ряд из них: RT Works (фир-

ма Talarian, США), COMDALE/C (Comdale Techn., Канада), COGSYS

(SC,

США), ILOG Rules (ILOG, Франция). Сравнение двух наиболее

продвинутых систем, ДИЭКС и RT Works, которое проводилось путем

разработки одного и того же приложения двумя организациями, NASA

(США) и Storm Integration (США), показало значительное превосходство

первой.

4.3.

Возможности системы ДИЭКС

по проектированию СППР

Система ДИЭКС относится к инструментальным средствам 3-го вида

(см.

классификацию в

п.

4.1.8).

Она разработана для различных аппарат-

ных платформ и операционных систем: персональные компьютеры IBM

Pentium, ОС OS/2 и Windows NT; рабочие станции Sun, ОС Unix и др.

Программное обеспечение СППР, созданной на базе ДИЭКС, включает

в себя как приложение ДИЭКС, так и некоторые из основных модулей

самого ДИЭКС. О разделении функций между ДИЭКС и его приложени-

ем будет сказано ниже. ДИЭКС позволяет создавать сетевые приложения.

Это дает возможность разделить функции принятия решений между не-

сколькими ЛПР и структурировать приложение так, чтобы каждая его

часть отвечала за поддержку одного из нескольких ЛПР, или как-нибудь

по-другому.

Основные функциональные единицы системы ДИЭКС:

1) блок приобретения знаний;

2) машина вывода;

3) планировщик;

4) симулятор.

ДИЭКС поддерживает модель представления знаний в виде правил

нескольких типов. Однако использование этой модели необязательно.

ДИЭКС предоставляет средства для создания модулей поддержки любой

мыслимой МПЗ, если существующая МПЗ неадекватна задачам упра-

вления ОУ, для которого проектируется СППР. Больше того, ДИЭКС

позволяет проектировать базу знаний, которая содержит знания, пред-

ставленные в различных МПЗ.

4.4. Блок приобретения знаний

Обзор возможностей

Блок приобретения знаний обеспечивает возможность и предоста-

вляет инструментарий

для

создания СППР. Создать приложение в системе

ДИЭКС означает сформировать одну или несколько баз знаний ДИЭКС.

База знаний ДИЭКС и база знаний как функциональный блок СППР

—

не одно и то же. Поэтому в дальнейшем для обозначения базы зна-

ний ДИЭКС будем использовать термин, используемый в документации

по ДИЭКС — Knowledge base (KB). KB по-другому называется модулем

4.4.

Блок приобретения знаний 115

приложения. При наличии нескольких модулей говорят, что приложение

представлено структурой (иерархией) модулей. Структурирование прило-

жений позволяет разрабатывать приложение одновременно нескольким

группам разработчиков, упрощает разработку, отладку и тестирование,

позволяет изменять модули независимо друг от друга, упрощает повтор-

ное использование знаний.

KB включает в себя определения классов, элементы данных, про-

граммные конструкции, элементы пользовательского интерфейса. При

создании KB используется объектно-ориентированная технология, базо-

вое понятие которой — класс. Все элементы KB являются экземплярами

того или иного класса. Это касается не только элементов данных, опре-

деляемых разработчиком, но также и программных конструкций. Даже

определения новых классов являются экземплярами класса definition.

KB может содержать множество экземпляров каждого класса. Различают

встроенные классы ДИЭКС и классы, определяемые разработчиком. Для

каждого класса определены атрибуты и методы. Помимо этого каждый

класс имеет графический образ (икону). Атрибут представляет собой

элемент данных одного из базовых типов (логический, символьный,

текстовый, целый, вещественный), либо принадлежит одному из клас-

сов.

Все классы ДИЭКС существуют как элементы иерархии классов.

Каждый класс, кроме корневого, является наследником другого класса

или нескольких классов. Наследник класса наследует от своего родителя

(суперкласса) атрибуты, методы и графический образ. И то, и другое,

и третье может быть переопределено разработчиком в классе-наследни-

ке.

Все классы, определяемые разработчиком, являются наследниками

(подклассами) встроенных классов или классов, определенных разработ-

чиком ранее. Разработчик не может переопределить атрибуты, методы

и графический образ для встроенного класса. Каждый элемент KB как

разработчику, так и конечному пользователю представлен в виде графиче-

ского образа, определенного для класса, экземпляром которого является

этот элемент. Графический образ формируется из нескольких областей

(слоев). Каждый слой имеет имя и цвет. Существуют программные кон-

струкции ДИЭКС, которые позволяют динамически менять цвета слоев

икон в режиме выполнения приложения. Атрибуты любого элемента KB

доступны в таблице, связанной с элементом.

Все элементы KB доступны в рабочих пространствах как разра-

ботчику, так и конечному пользователю. Рабочие пространства — это

экземпляры контейнерного класса рабочих пространств. Они имеют вид

прямоугольных окон, в которых размещаются все остальные элементы

КВ.

Каждый модуль гфиложения может содержать любое число рабо-

чих пространств. Среди них вьщеляется одно или несколько корневых

рабочих пространств. Каждому рабочему пространству, также как и лю-

бому другому элементу KB разрабагчик может поставить в соответствие

рабочее пространство, относящееся к этому элементу (подпространство

элемента). Таким образом формируется иерархия рабочих пространств.

Размещение элементов KB в рабочих пространствах осуществляется раз-

работчиком произвольно.

116 Глава 4. Инструментальные программные средства

Разработчик может определять раааичные категории пользователей

приложения и для каждой категории устанавливать ограничения. Огра-

ничения могут касаться доступа к элементам KB и действий, которые

пользователь может производить с доступными ему элементами. Напри-

мер,

конечному пользователю должен быть закрыт доступ к определениям

классов, процедурам и т. п.

4.4.1.

Элементы базы знаний ДИЭКС

Рассмотрим более подробно различные типы элементов KB:

1) Объекты. Объекты служат для представления в приложении объ-

ектов предметной области. Объекты могут быть экземплярами различных

классов, определяемых пользователем, но все эти классы в иерархии

классов являются подклассами встроенного класса object. Также как

и другие элементы KB, объекты могут иметь определяемые пользовате-

лем специфические атрибуты и графический образ. Графический образ

отражает внешний вид реального объекта. Атрибуты служат для фиксации

различных понятий, связанных с реальным объектом, в частности, для

представления его количественных характеристик.

Объекты могут быть связаны между собой. Связи между объектами

отображаются визуально в виде связей между их графическими образами.

Это позволяет представить конечному пользователю предметную область

в виде рисунка (схемы), на которой отображаются взаимосвязи между

реальными объектами предметной области. Возможность динамически

менять цвета графических образов позволяет отобразить на этой схеме

динамику поведения реального объекта. Программные конструкции ДИ-

ЭКС позволяют ссылаться на связи между объектами. Все связи являются

экземплярами подклассов встроенного класса connection.

Помимо связей между объектами можно устанавливать различные

отношения. Отношения не отображаются визуально в рабочих простран-

ствах, но позволяют ссылаться на объекты, связанные между собой тем

или иным отношением. В ДИЭКС можно определять только бинарные

отношения. Все отношения являются экземплярами подклассов встроен-

ного класса relation. Объекты, связи и отношения между ними ятляются

мощным средством представления и визуализации предметной области

в приложении ДИЭКС.

2) Параметры и переменные. Эти элементы описания также слу-

жат для представления данных о предметной области. Они являются

альтернативой специфическим атрибутам объектов. Параметры отлича-

ются от атрибутов возможностью хранения истории изменения значений.

Параметры являются экземплярами подклассов встроенного класса pa-

rameter. В ДИЭКС встроены подклассы логических, символьных, тексто-

вых, целых и вешественных параметров. Разработчик может определять

собственные подклассы параметров, для которых может переопределять

атрибут хранения истории, а также определять новые атрибуты, например

границы диапазона значений.

Переменные обладают всеми свойствами параметров и еще неко-

торыми другими. Каждой переменной сопоставляется источник данных.

4.4.

Блок приобретения знаний 117

который может быть либо машиной вывода, либо внешним по отно-

шению к ДИЭКС источником. Каждой переменной может быть сопо-

ставлена формула для вычисления. При наличии формулы источником

данных для переменной автоматически является машина вывода. Каждой

переменкой сопоставляется интервал, в течение которого действительно

ее текуш,ее значение. По прошествии этого интервала с момента послед-

него вычисления текущего значения считается, что значение переменной

неопределено. Значение может присваиваться переменной явно в про-

граммных конструкциях, определяемых разработчиком, либо оно может

быть получено в результате поиска. Поиск значения инициируется ДИ-

ЭКС,

если оно используется в арифметических или логических выраже-

ниях программных конструкций. При этом поиск осуществляется только

в том случае, если значение переменной неопределено. Поиск текуще-

го значения осуществляется в течение некоторого промежутка времени,

установленного для переменной разработчиком. Если по окончании этого

промежутка значение переменной не найдено, то поиск прекращается,

а значение остается неопределенным. В этом случае говорят, что по-

иск терпит неудачу. Таким образом приложение может быть защищено

от чрезмерной задержки при необходимости вывода в реальном времени.

Помимо текущего значения каждая переменная может иметь «фиктив-

ное значение», источником которого является симулятор. Это значе-

ние вычисляется по формуле, определяемой разработчиком каждый раз

по прошествии интервала, длительность которого также определяется раз-

работчиком. «Фиктивное значение» может использоваться в случае, если

поиск текущего значения терпит неудачу, либо для сравнения с текущим

значением с целью выяснения, правильно ли вычисляется последнее. Все

переменные являются экземплярами подклассов класса ДИЭКС-variable.

3) Массивы и списки. Служат для последовательной организации

объектов, параметров и переменных.

4) Правила. Правила относятся к программным конструкциям ДИ-

ЭКС.

Каждое правило задает набор действий, которые необходимо со-

вершить при выполнении определенного условия. Условие определяется

антецедентом правила, а действия — консеквентом. Действия, кото-

рые разработчик может закодировать в консеквенте правила, могут быть

самыми разнообразными: присвоение значений элементам данных (атри-

бутам, параметрам и переменным); динамическое создание, удаление

и перемещение объектов; установка и обрыв связей и отношений между

объектами; активизация других программных конструкций. Правила ко-

дируются на ограниченном естественном английском языке. Выполнение

правила заключается в проверке условия, закодированного в антецеденте

и последующем выполнении действия, закодированного в консеквенте,

если условие истинно. В ДИЭКС существует несколько типов правил:

а) правила initially. Эти правила выполняются при запуске приложе-

ния;

б) правила if. Механизмы применения этих правил описываются

ниже, в разделе «машина вывода»;

118 Глава 4. Инструментальные программные средства

в) правила whenever. В антецеденте правила этого типа специфици-

руются событие и некоторые дополнительные условия. Действия, зако-

дированные в консеквенте, выполняются сразу при возникновении этого

события, если выполняются дополнительные условия. В качестве собы-

тия может выступать получение элементом данного значения, неудачно

завершенный поиск значения переменной, установка и обрыв отноше-

ния, перемещение объектов в рабочих пространствах или между ними.

Данный механизм применения правил называется выводом, управляемым

по событиям.

Правила бывают частными и общими Частные правила действуют

для какого-либо одного элемента описания. Ссылка на этот элемент

осуществляется в тексте правила по имени элемента. Каждый элемент

описания имеет идентификатор (имя). Имя является атрибутом корневого

класса ДИЭКС (item). Соответственно все остальные встроенные и опре-

деляемые разработчиком классы наследуют этот атрибут. Общие правила

действуют на все элементы какого-либо класса, удовлетворяющие опре-

деленным условиям. Для ссылки на все элементы класса используется

синтаксическая конструкция for any <имя класса>. Для указания усло-

вий используются конструкции connected (для указания условия связи

с другими объектами), that is (для указания условия связи с другими

объектами отношением и других условий), such that (для указания любых

дополнительных условий, которым должны удовлетворять элементы).

5) Процедуры и функции. Это другой вид профаммных конструкций.

Рассмотрим сначала процедуры. Они кодируются на паскалеподобном

языке программирования и состоят из последовательности операторов,

которые могут быть действиями или управляющими конструкциями.

В качестве действий могут выступать те же действия, которые могут быть

закодированы в консеквентах правил. Набор управляющих конструкций

включает в себя последовательность операторов, блоки последовательно

исполняемых операторов, блоки параллельно исполняемых операторов,

условные операторы, циклы, сканирование объектов, вызов других про-

цедур, оператор ожидания.

Сканирование объектов заключается в выполнении набора опера-

торов для каждого объекта, определенного в операторе сканирования

класса, с определенными там же условиями.

В операторе ожидания специфицируется интервал времени либо не-

которое событие. В первом случае ДИЭКС приостанавливает выполнение

процедуры на указанный интервал. Во втором случае выполнение при-

останавливается до возникновения указанного события. В режиме вы-

полнения приложения ДИЭКС одновременно выполняются несколько

процессов. Во время ожидания в процедуре процессы, которые выполня-

ются параллельно с процедурой, не приостанавливаются.

Для предотвращения монополизации процедурой процессора пре-

дусмотрен оператор allow other processing (разрешить другие процессы).

Если этот оператор встречается при выполнении процедуры, то процес-

сор переходит к выполнению других процессов и возвращается обратно

после их завершения или приостановки.

4.4.

Блок приобретения знаний 119

Для запуска процедур используются действия ДИЭКС start и call.

Действие call приостанавливает выполнение вызывающего процесса до

окончания выполнения вызываемой процедуры. С помощью call про-

цедуры могут быть вызваны только из других процедур. Действие start,

наоборот, не приостанавливает вызывающий процесс, а запускает про-

цедуру в параллель с ним С помощью start процедуры могут вызываться

как из других процедур, так и из правил.

Функции ДИЭКС имеют имя, список формальных параметров и те-

ло.

Тело функции лредсташшет собой выражение. В качестве операндов

этого выражения могут быть имена формальных параметров функции.

При вызове функции вычисляется тело функции. При вычислении тела

функции вместо имен формальных параметров функции в тело подста-

вляются значения фактических параметров, передаваемые в функцию при

вызове. Результат вычисления называется значением функции. Значение

функции может быть использовано в качестве операнда при вычисле-

нии какого-либо выражения ДИЭКС. Для этого необходимо записать

имя функции и список фактических параметров на месте этого операнда

в выражении. Вызов функции осуществляется каждый раз, когда имя

функции встречается при вычислении какого-либо выражения ДИЭКС.

ДИЭКС имеет много встроенных функций дня работы с текстовыми, ло-

гическими, символьными, числовыми значениями, а также значениями

типа дата и время.

6) Элементы пользовательского интерфейса. К ним относятся кнопки,

меню, таблицы объектов. Кнопки подразделяются на кнопки действий

(action button), переключатели с зависимой фиксацией (radio button),

переключатели с независимой фиксацией (check boxes), строки ввода.

С каждой кнопкой действия разработчиком сопоставляется действие

ДИЭКС, которое выполняется при нажатии пользователем на кнопку.

Переключатели с зависимой фиксацией предназначены для выбора

пользователем одного варианта конфигурации системы из нескольких

возможных.

Переключатели с независимой фиксацией предназначены для уста-

новки нескольких параметров конфигурации системы из определенного

множества.

Строки ввода служат для приема системой информации от пользо-

вателя.

С каждым классом ДИЭКС сопоставляется меню класса. Это меню

возникает на экране каждый раз при нажатии экземпляра класса мышью.

С каждым пунктом меню сопоставляется действие ДИЭКС, которое

выполняется при выборе пользователем этого пункта. Пункты меню

наследуются классами-наследниками от своих суперклассов. Разработчик

может добавлять новые пункты в меню .тюбого определяемого им класса

и удал5ггъ из меню наследуемые пункты.

С каждым элементом KB сопоставляется таблица элемента, в которой

перечислены его атрибуты и даны их значения. Разработчик в режиме

формирования KB, также как и пользователь в режиме выполнения КБ,

может вручную менять значения атрибутов в таблицах. При этом ДИЭКС

120 Глава 4. Инструментальные программные средства

автоматически проверяет соответствие типа введенного значения типу

атрибута и выдает сообщение об ошибке в случае несоответствия.

Таблицы элементов всех встроенных классов ДИЭКС, кроме класса

object, имеют атрибут Notes (замечания). Текстовое значение этого афи-

бута зависит от того, насколько правильно разработчик задал значения

других атрибутов. В основном это касается таких встроенных атрибутов,

как тексты программных конструкций (правил, процедур, функций). Та-

ким образом, в ДИЭКС реализована функция синтаксического анализа

программных конструкций.

7) Элементы отображения графической информации. К ним относятся

графики и диаграммы различного вида. Каждому элементу отображе-

ния графической информации сопоставляется выражение относительно

элементов данных KB (атрибутов, параметров и переменных) и служит

для фафической интерпретации динамики изменения значений этого

элемента данных.

4.4.2.

Визуальное программирование в ДИЭКС

В ДИЭКС реализован принцип визуального протраммирования. Это

означает, что для создания элементов KB не нужно писать дополнитель-

ных программных конструкций. Элементы описания создаются в диалоге

с системой. Меню каждого элемента встроенного класса Object deflni-

1юп (определение нового класса) содержит пункт Create instance (создать

элемент). Чтобы создать (включить в рабочее пространство) элемент опре-

деленного разработчиком класса, достаточно выбрать этот пункт в меню

определения этого класса. При этом возникает графический образ, опре-

деленный для данного класса. Этот образ разработчик может размертить

в любом месте любого рабочего пространства. Чтобы создать элемент

встроенного класса, достаточно выбрать соответствующий пункт меню

рабочего пространства и выбрать из всплывающего подменю нужный

встроенный класс. Помимо меню объектов существует основное меню

ДИЭКС. В этом меню есть пункт New Workspace, при выборе которого

создается новое рабочее пространство. Меню каждого элемента описания

содержит пункты для удаления, копирования, перемещения и вращения

этого элемента.

Однако в ДИЭКС предусмотрена возможность и динамического

создания, удаления, перемещения и вращения элементов КБ в ходе вы-

полнения приложения. Для этого предусмотрены такие действия ДИЭКС

как create (создать), delete (удалить), transfer и move (переместить), rotate

(вращать).

4.4.3.

Машина вывода

Машина вывода — это решатель модели принятия решений, под-

держиваемой ДИЭКС. Машина вывода реализует алгоритм применения

правил ДИЭКС. Машина вывода поддерживает несколько механизмов

вывода:

I) Сканирование. Применяется к правилам, для которых разработ-

чиком указан

интервал

сканирования.

Каждое такое правило применяется