Новосельцев В.И. Системный анализ: современные концепции

Подождите немного. Документ загружается.

251

ция передается в решатель, который отыскивает среди эталонных ре-

шений (хранящихся в декларативной базе) наилучшее решение для

идентифицированной ситуации. Если идентификация ситуации невоз-

можна, производится ее расчленение на более простые, которые могут

быть сведены к типовым ситуациям, описанным в базе знаний, либо,

напротив, ее обобщение с той же целью. Если не удается выделить ти-

повую ситуацию, то процессор формирует новую ситуацию и передает

ее для запоминания в базу знаний. При необходимости процессор ко-

ординирует отдельные решения. Примеры поиска и координации ре-

шений рассматриваются в главе 10.

Вычислительный процессор – это программа, планирующая и вы-

полняющая вычисления. В типовом варианте он состоит из трех про-

граммных модулей. Прагматический анализатор на основании описа-

ния вычислительной задачи определяет, какие прикладные программ-

ные модули необходимо привлечь для ее решения. Кроме того, анали-

затор определяет состав исходной информации и аппаратных средств,

которые должны участвовать в формировании ответа (на рис. 8.4 связь

анализатора с вычислительной средой модели не показана). После это-

го планировщик составляет план вычислительного или логического

процесса, оптимальный относительно некоторого критерия, например,

минимума времени производства вычислений. Завершает работу вы-

числительного процессора программатор, который на основании плана

автоматически формирует программу вычислений и следит за ходом ее

реализации. После завершения программы полученная информация

передается в лингвистический процессор, а оттуда – исследователю.

Режимы работы системной модели. Принципиальная особенность

гомеостатических системных моделей состоит в необходимости их

обучения. Начальная программа системной модели содержит лишь

операционный компонент, который реализует «интеллектуальные» ме-

ханизмы модели по преобразованию знаний (в том числе механизмы ее

адаптации и интерпретации). Информационный же компонент модели

пуст. Для того чтобы работать с моделью, надо сообщить ей факты и

закономерности, касающиеся изучаемого объекта, а также план пред-

стоящего модельного эксперимента. В качестве учителя выступает ис-

следователь, который через лингвистический процессор сообщает мо-

дели все необходимые знания. В режиме обучения информационный и

логический процессоры работают только на прием информации, а вы-

числительный процессор вообще не участвует в работе. После обуче-

ния модель может работать в вопросно-ответном и интерактивном ре-

252

жиме. В вопросно-ответном режиме исследователь формулирует и за-

дает на вход модели текст, содержащий тему и условия вопроса. Выхо-

дом модели являются сведения, удовлетворяющие условиям вопроса и

оформленные в виде некоторого текста на естественном языке либо в

виде документа (таблицы, анкеты). В интерактивном режиме (или ре-

жиме модельного эксперимента) участвуют все блоки модели. В этом

режиме на вход модели поступают описания экспериментальных сце-

нариев, содержащие сведения о целях и задачах данного эксперимента,

условиях и графике его проведения и т.д. Модель инициирует диалог с

исследователем до тех пор, пока не получит от исследователя ответов,

снимающих всякую неопределенность относительно выполнения

предписанных операций. Так, например, если эксперимент заключает-

ся в решении некоторой системы дифференциальных уравнений, то

модель выдаст исследователю полный перечень вопросов, касающихся

граничных и начальных условий, областей определения переменных,

необходимой точности вычислений, а также проверит функции, вхо-

дящие в состав уравнений, на отсутствие точек разрыва. После снятия

вопросов производятся необходимые расчеты, логические выводы и

другие операции, позволяющие сформировать на выходе модели реко-

мендации по изменению параметров объекта изучения. Эта информа-

ция в виде таблиц и графиков, сопровождаемых текстами на естествен-

ном языке, выдается исследователю. После анализа полученной ин-

формации исследователь вводит в модель необходимые корректиров-

ки, изменяет условия задачи, и модельный эксперимент продолжается.

Общая схема исследований с помощью системной гомеостатической

модели приведена на рис. 8.5. Приведенная схема не нуждается в осо-

бых комментариях. Обратим лишь внимание на два важных обстоя-

тельства. Во-первых, как это следует из схемы, системные исследова-

ния итеративны по своей сути. Это означает, что любая системная про-

блема не имеет своего окончательного решения, или иначе: ни при ка-

ком сколь угодно глубоком познании невозможно получить исчерпы-

вающую характеристику изучаемого объекта. Во-вторых, системные

исследования предполагают непременный симбиоз теоретических мо-

дельных экспериментов с наблюдениями, эмпирическими исследова-

ниями, натурными (лабораторными) экспериментами. Это не означает,

что «практика есть критерий истины», скорее, теория без практики пус-

та, а практика без теории слепа. Математическое моделирование

предшествует эксперименту и направленному сбору информации, что

подчеркивает важность этого приема изучения систем.

253

Рис. 8.5. Общая схема проведения системных исследований.

1. ВЫДЕЛЕНИЕ И УЯСНЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

НАБЛЮДЕНИЯ И ЭМПИРИЧЕСКИЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ

НАТУРНЫЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕ-

РИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. КОНЦЕПТУАЛИЗАЦИЯ ПРОБЛЕ-

МЫ – суммирование известных све-

дений, вербальное описание про-

блемы, выбор объекта исследования

и критериев принятия решений

3. ИДЕАЛИЗАЦИЯ ПРОБЛЕМЫ – де-

композиция объекта исследования,

формулирование базовых аксиом

4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ – оп-

ределение входных переменных, кон-

стант и показателей эффективности

5. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ – разра-

ботка алгоритмов и программ, их

комплексирование и отладка

6. ПРОВЕРКА МОДЕЛИ – сопостав-

ление результатов моделирования с

наблюдениями и экспериментами

7. ОБУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ

МОДЕЛИ – ввод новых аксиом и

правил вывода, проведение модель-

ного эксперимента

8. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МОДЕЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ – композиция,

обобщение и содержательная трак-

товка результатов моделирования

9. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИХ ЗАКАЗЧИКУ

254

Классификация системных моделей (рис. 8.6). Системные модели,

которые работают только в вопросно-ответном режиме, называются

вопросно-ответными или экспертными. Если предметная база содер-

жит лишь прагматический уровень, то есть состоит только из базы

данных, то такие модели называются информационно-поисковыми.

Модели, работающие в интерактивном режиме, называются информа-

ционно-логическими, а в случае, когда объектом управления является

некоторая система специального математического обеспечения или па-

кет прикладных программ, их называют информационно-расчетными.

В зависимости от предназначения системные модели подразделяют-

ся на управляющие, проектирующие и планирующие. Проектирующие

модели предназначены для обеспечения проектирования технических,

технологических, организационных и других систем, а также для науч-

ных исследований. Модели управляющего типа предназначены для

управления реальными технологическими, техническими, производст-

венными и другими

процессами. Например,

такие модели исполь-

зуются в автоматизи-

рованных системах

управления движением

железнодорожного и

воздушного транспор-

та. В том случае, когда

системные модели раз-

рабатываются и ис-

пользуются для отра-

ботки планов примене-

ния каких-либо средств, они называются планирующими.

Индивидуальные модели реализуются на базе локальных компью-

терных средств и предназначены для персональной исследовательской,

управленческой и планирующей работы. Коллективные системные мо-

дели разрабатываются на базе распределенных компьютерных сетей.

Они предназначены для проведения комплексных научно-

исследовательских и опытно-конструкторских работ в масштабе ин-

ститута или опытно-конструкторского бюро, а также для управления

пространственно распределенными объектами. Такие модели входят в

состав соответствующих автоматизированных систем управления, об-

разуя их интеллектуальное и информационное ядро. Конечно, для каж-

Рис. 8.6. Классификация системных моделей.

СИСТЕМНЫЕ МОДЕЛИ

ИНФОРМАЦИОННО-

РАСЧЕТНЫЕ

КОЛЛЕКТИВНЫЕ

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕУПРАВЛЯЮЩИЕ

ПЛАНИРУЮЩИЕ

ЭКСПЕРТНЫЕ

ИНФОРМАЦИОННО-

ПОИСКОВЫЕ

ИНФОРМАЦИОННО-

ЛОГИЧЕСКИЕ

ПРОЕКТИРУЮЩИЕ

255

дого типа системных моделей характерны свои особенности структур-

ного построения, а также своя специфика в способах программной реа-

лизации, но общие принципы их построения примерно одинаковы и

соответствуют тому, что рассматривалось выше.

Системное гомеостатическое моделирование, ставшее возможным

благодаря прорывному развитию компьютерных технологий, – это от-

вет прикладной науки не вызов, который был ей брошен сложными

системами. Системные модели не следует рассматривать как антитезу

традиционному математическому моделированию. Здесь имеет место

симбиоз и содружество, когда стирается грань между стремлением к

тотальной формализации и логико-интуитивным (эвристическим) под-

ходом к анализу системных явлений. Таким образом, системное моде-

лирование есть разумный компромисс между этими крайними точками

зрения на возможные пути конструктивного разрешения системных

проблем. Системное моделирование – сравнительно молодое научное

направление, в котором пока больше проблем и нерешенных вопросов,

чем успехов и достижений. В настоящее время развитие системного

моделирования существенно сдерживается отсутствием конструктив-

ной технологии проектирования системных моделей. Концепция такой

технологии очевидна: системная гомеостатическая модель – это само-

организующаяся многоуровневая система, следовательно, проектиро-

вать ее надо так, как проектируются системы такого класса. Однако

также очевидны трудности реализации такой концепции – пока нет

универсальной технологии проектирования самоорганизующихся сим-

вольных систем. Важнейшим отличием системного моделирования от

традиционного математического является использование языков пред-

ставления знаний, позволяющих отражать различные аспекты про-

блемной области, наблюдаемые факты и закономерности, описывать

эти знания не только на количественном, но и на качественном уровне.

По сути, системное моделирование – это процесс восприятия, фикса-

ции, переработки и получения новых знаний на базе использования

информационных компьютерных технологий. Поэтому проблема

представления знаний (подчеркнем еще раз, не данных, а знаний) нахо-

дится в центре внимания специалистов по системному моделированию.

В этой проблеме много трудных вопросов, но кардинальным является

вопрос о структуре самого языка представления знаний. Частично от-

ветить на этот вопрос удалось при изучении способов построения ло-

гико-лингвистических системных моделей и процедур мягких вычис-

лений.

256

Глава 9. Мягкие вычисления и логико-лингвистическое

моделирование

Понятия мягких вычислений и логико-лингвистического моделиро-

вания вошли в обиход специалистов по системному анализу в конце

прошлого века как органическое объединение теоретических результа-

тов трех научных направлений: искусственного интеллекта, математи-

ческой лингвистики и компьютерных языковых технологий. В настоя-

щее время мягкие вычисления и основанные на них логико-

лингвистические модели все шире внедряются в практику системных

исследований. Этот объективный и закономерный процесс обусловлен

по меньшей мере двумя причинами. Первая причина связана с тем, что

в сферу интересов ученых-практиков все чаще стали попадать систе-

мы, для познания которых невозможно построить достаточно адекват-

ную математическую модель. К их числу относятся многоуровневые,

иерархические, самоорганизующиеся и конфликтующие системы со-

циальной, биологической и физической природы. Другая причина свя-

зана с необходимостью повышения интеллектуального уровня компь-

ютерных технологий, так как на компьютеры возлагаются не только

задачи проведения расчетов и выдачи оперативных справок, но выпол-

нение еще целого ряда функций, ранее считавшихся прерогативой че-

ловека. А именно: восприятия информации, выраженной в словесной

форме; ее структурирования, логического анализа, формулирования

выводов и другие. В отличие от традиционных математических вычис-

лений, имеющих дело с жестко определенными символьными объек-

тами, отражающими количественные соотношения действительного

мира, мягкие вычислительные процедуры и логико-лингвистические

модели оперируют с понятиями, подобными тем, которыми пользуют-

ся люди для общения друг с другом и для описания ситуаций. Вместе с

тем, в логико-лингвистических моделях и в мягких вычислительных

процедурах присутствуют определенные правила формализованного

преобразования языковых конструкций, позволяющие говорить об их

близости к традиционным вычислительным процедурам и математиче-

ским моделям.

9.1. ЯЗЫКОВЫЕ СРЕДСТВА МЯГКИХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

Научное исследование предполагает описание фактов и закономер-

ностей изучаемых объектов, анализ полученных описаний и выработку

на этой основе рациональных решений, которые затем воплощаются в

те или иные действия. Человек производит аналитические операции,

257

используя естественный язык, обладающий большой выразительной

способностью в том смысле, что с его помощью можно описывать лю-

бые факты и явления окружающего нас мира со сколь угодной подроб-

ностью. Вместе с тем, в естественном языке отсутствуют инструменты,

обеспечивающие формальный анализ описаний и определение синтак-

сической и семантической правильности используемых языковых кон-

струкций (их соответствие принятой аксиоматике). Реализация таких

механизмов остается за человеком.

Для традиционных математических языков (арифметических, алгеб-

раических, геометрических, интегро-дифференциальных, предикатных

и других) характерна крайность другого рода. Они обладают мини-

мальными описательными возможностями, но зато у них в высшей

степени развиты инструменты формальных эквивалентных преобразо-

ваний (стандартные операции и расчетные формулы, теоремы и их

следствия, вычислительные и логические алгоритмы), позволяющие на

основе заданной аксиоматики формировать практически неограничен-

ное количество правильных в данном языке символьных конструкций.

Элементарным примером такого инструмента могут служить формулы

для вычисления площадей и объемов геометрических фигур. Для опре-

деления объема или площади фигуры достаточно назвать ее тип и за-

дать параметры (высоту, ширину и т.п.). В том случае, когда нас не ин-

тересуют мелкие детали (неровности, сколы, искривления поверхности

и др.), вычисления производятся в соответствии с известными форму-

лами, одинаковыми для всех фигур данного типа.

На диаграмме рис. 9.1. дается качественное сравнение естественных

и математических языков по двум

условным характеристикам: семан-

тической силе СС = {0 … 1}, отра-

жающей возможности данного язы-

ка по многоаспектному описанию

ситуаций реального мира; мощно-

сти инструментальных средств МИ

= {0 … 1}, отражающей способ-

ность языка производить формаль-

но-эквивалентные преобразования

своих конструкций. Из диаграммы

видно, что чем выше семантическая

сила языка, тем ниже мощность его

инструментальных средств, и на-

Естественный язык

СС Языковые средства мягких

вычислений

Языки классиче-

ской математики

0 1 МИ

Рис. 9.1. Сравнительная характеристика

языков по семантической силе и мощно-

сти инстр

ментальных средств.

258

оборот – чем выше мощность языковых инструментальных средств,

тем выше семантическая сила языка. Наличие противоположных тен-

денций свидетельствует о существовании некоего компромисса, то есть

таких искусственных языковых средств, которые, с одной стороны, по-

зволяют достаточно адекватно описывать проблемные ситуации в их

многообразии и, с другой, – обладают достаточно развитым инстру-

ментарием для производства формальных эквивалентных преобразова-

ний. К таким языковым средствам относятся: нечеткие множества, ре-

ляционные и ролевые языки, составляющие в совокупности лингвис-

тическую основу мягких вычислений. Рассмотрим перечисленные язы-

ки, имея целью ознакомление с принципами их построения и потенци-

альными возможностями с точки зрения практических приложений.

Более подробные сведения об этих языках можно получить в специ-

альной литературе [см., например, Аверкин, Батыршин и др., 1986; За-

де, 1976, Поспелов, 1981; Уэно, Исидзука, 1989].

9.2. НЕЧЕТКИЕ МНОЖЕСТВА

Понятия и обозначения. Классическая теория множеств построена

на дихотомии (от греч.

dichotomía – разделение надвое), то есть элемент

х может либо принадлежать множеству А, либо не принадлежать ему.

В теории нечетких множеств дихотомия отсутствует. Вместо нее при-

надлежность элемента х множеству А задается функцией принадлеж-

ности µ

(х).

Нечетким множеством А на множестве Х называется множество

упорядоченных пар А = {µ

(х), х}, составленных из элементов х уни-

версального (полного) множества Х, и соответствующих функций при-

надлежности µ

(х). Переменная х называется базовой. Обычно на не-

четкое множество ссылаются либо по его имени А, либо по функции

принадлежности.

Если универсальное множество Х состоит из конечного числа эле-

ментов х

,…, х

, то нечеткое множество А можно представить в сле-

дующем виде:

А = µ

(х

)/х

+ µ

(х

)/х

+ … + µ

(х

)/х

∑

(х

)/х

В данном случае знак «+» не есть сложение в его традиционном по-

нимании, им обозначается совокупность элементов множества (числи-

тель) с их принадлежностью (знаменатель).

Функция принадлежности может выражаться как числами из интер-

вала [0, 1], так и в виде лингвистических переменных, то есть перемен-

259

ных, значениями которых выступают не числа, а слова и словосочета-

ния. Например, лингвистическая переменная О

= <ошибка> может

иметь значения О

об

= <отрицательно большая>, О

ом

= <отрицательно

малая>

, О

= <нуль>, О

пм

= <положительно малая>, О

пб

= <положи-

тельно большая>.

Таким образом, по определению нечеткие множества представляют

собой расширение обычных (строгих) множеств, которые есть ни что

иное как частный случай нечетких множеств.

Содержательная трактовка функции принадлежности зависит от за-

дачи, в которой используется нечеткое множество. Возможные трак-

товки функции принадлежности: степень соответствия понятию А; ве-

роятность; возможность; полезность; истинность; правдоподобность;

значение функции.

Для каждой трактовки функции принадлежности разрабатываются

свои методы их построения. В ряде моделей мягких вычислений функ-

ции принадлежности задаются в параметрическом виде. Например,

функции принадлежностей нечетких множеств О

об

, О

ом

, О

пм

, О

пб

могут изначально задаваться в модели так, чтобы они равномерно по-

крывали область определения X, а затем настраивались в результате

изменения их параметров в процессе отладки модели.

В случае, когда функция принадлежности задается числами, наибо-

лее распространенными в приложениях теории нечетких множеств яв-

ляются линейные, треугольные, трапециевидные, гауссовские и коло-

колообразные функции принадлежности.

Линейная функция принадлежности задается двумя параметрами (a, b):

µ(x) = 0, при x ≤ a; µ(x) = (x – a)/(b – a), при a < x ≤ b; µ(x) = 1, при x > b.

Треугольные функции принадлежности задаются тремя параметрами (a,b,c):

µ(x) = 0, при x ≤ a; µ(x) = (x – a)/(b – a), при a < x ≤ b;

µ(x) = (c – x)/(c – b), при b < x ≤ c; µ(x) = 0, при x > c.

Трапециевидные функции принадлежности задаются четырьмя параметрами (a,

b, c, d):

µ(x) = 0, при x <a; µ(x) = (x – a)/(b – a), при a < x ≤ b;

µ(x)= 1, при b < x ≤ c; µ(x) = (d – x)/(d – c), при c < x ≤ d; µ(x) = 0, при x > d.

Гауссовские функции принадлежности задаются двумя параметрами (c, s):

µ(x) = exp [– 0,5(x – c)

Колоколообразные функции принадлежности задаются тремя параметрами (a,

b, c): µ(x) = 1/{1 + [(x – c)/a]

2 b

Нечеткое множество А нормально, если верхняя граница его функ-

ции принадлежности равна единице: sup µ

(x) = 1. При sup µ

(x) < 1

нечеткое множество называется субнормальным. Нечеткое множество

260

пусто, если µ

(х) = 0, ∀ х ⊂ Х. Непустое нечеткое множество нормали-

зуется, то есть приводится к нормальному, по формуле: µ

(х) =

(х)/sup µ

(х). Множеством уровня α (α-срезом) нечеткого множества

А называется четкое подмножество универсального множества Х, оп-

ределяемое в виде: А

= {х ⊂ Хµ

≥ α}, где α ⊂ [0, 1]. От множества

уровня А

отличается множество строгого уровня А

, которое опреде-

ляется в следующем виде: А

= {х ⊂ Хµ

(х) > α}. Всякое нечеткое

множество можно разложить по уровням: µ

= U (α, µ

), где µ

= 1,

если µ

(х) ≥ α и µ

= 0, если µ

(х) < α. Это разложение лежит в основе

другого способа задания нечеткости, когда она выражается набором

иерархически упорядоченных четких множеств.

Рассмотрим примеры задания

нечетких множеств. Пусть Х –

множество всех мужчин, разли-

чающихся только по своему рос-

ту; х – переменная, означающая

конкретного мужчину. Требует-

ся задать нечеткое множество А

высоких мужчин. По определе-

нию нечеткого множества для этого достаточно выбрать из каких-либо

соображений функцию принадлежности и задать ее параметры. Выбе-

рем для определенности гауссовскую функцию принадлежности, и бу-

дем полагать, что высокими считаются мужчины, рост которых состав-

ляет 180-190 см. Тогда с =185, s = 5, а искомое нечеткое множество за-

пишется в следующем виде: А = {ехр [– 0,002 (х – 185)

], x}. Такая за-

пись может, например, означать, что если перед нами находится некто,

рост которого составляет 175см, то он с уверенностью 82 % может

быть назван высоким мужчиной, а некто с ростом 165 см относится к

высоким мужчинам с уверенностью 0,3 %.

Другой пример. Пусть универсальное множество – это множество

людей в возрасте от 0 до 90 лет, а функция принадлежности нечетких

множеств, означающих возраст: «молодой», «средний», «пожилой»

определяется так, как показано на рис. 9.2. Тогда при дискретизации 10

лет получаем приблизительно следующее:

<молодой> = µ

молодой

(х) = 1/0+0,7/10+0,5/20+0,3/30+0/40;

<средний> = µ

средний

(х) = 0/20+0,5/30+1/40+0,5/50+0/60;

<пожилой> = µ

пожилой

(х) = 0/40+0,25/50+0,4/60+0,6/70+0,75/80+1/90.

Принадлежность

молодой

средний

0,5

пожилой

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Рис. 9.2. Пример графического задания не-

четких множеств.