Юрков Н.К. Интеллектуальные компьютерные обучающие системы

Подождите немного. Документ загружается.

121

Если структуру системы можно рассматривать как некото-

рую предварительно отсортированную и переработанную, связан-

ную, внутреннюю информацию, то происходящая во II контуре ОС

структуризация и есть процесс возникновения новой (структурной)

информации в результате циркуляции в системе оперативной ин-

формации, а это уже и есть процесс саморазвития.

Кибернетика научно обосновала единство процессов управ-

ления и связи в живой природе, технике, обществе и мышлении.

Идея Н. Винера о единстве законов управления в живых организ-

мах и машинах, положенная в основу кибернетики, сыграла важ-

ную роль в развитии технических систем. Однако попытки исполь-

зования этой логики для управления в системах другой природы не

увенчались такими же успехами. Причина этого заключается в не-

корректности рассмотрения живых систем как замкнутых, что бы-

ло доказано Л. фон Берталанфи.

Сложные системы, главным образом живые, демонстрируют

на разных уровнях организации множество принципов и алгорит-

мов управления, основная часть которых не только не использует-

ся в техногенных системах, но и вообще не изучена. В технике ав-

томатического регулирования доминируют только два принципа

управления: по отклонению и по возмущению. Гомеостатический,

координирующий, логико-оптимальный, ситуационный и другие

принципы управления являются объектами интенсивного изучения

с целью их применения в различных областях техники, медицины,

экономики и др., но эффективного практического использования в

настоящее время не нашли. Непосредственное применение класси-

ческого принципа обратной связи в сложных системах во многих

случаях не только не приводит к желаемым результатам, но и час-

то служит причиной ошибок.

Таким образом, практическая потребность в изучении слож-

ных систем определяет актуальность исследования принципов

управления как в плане методологии, так и их математического

описания.

Процесс познания схематично изображен на рис. 20, где I

контур ОС – многократные циклы испытаний, наблюдений, сбора

информации (область эмпирического знания); II контур – отбор и

обобщение информации, попытки выявить некоторую относитель-

ную истину. Здесь может возникнуть научная гипотеза. Если она

подтвердится при очередном эксперименте, то может стать основой

новой теории, закрепиться в формулах, теоремах. Это уже теорети-

122

ческая область. Другими словами, в первом контуре ОС восприни-

мается явление, а во втором – познается его сущность, причем по-

стижение сущности углубляется в ходе осуществления все более

целенаправленного воздействия на объект, все более тонких экспе-

риментов.

О Б Ъ Е К Т

П О З Н А Н И Я

Среда

“Проверка

практикой”

Отражение,

“живое”

созерцание

Оценка данных,

принятие решения

субъектом

“Абстрактное

мышление”

1 2 3 4 5 … n

Восприятие

ЯВЛЕНИЯ

Познание

СУЩНОСТИ

“

”

Отбор

информации

ЦЕЛЬ: ПОЗНАНИЕ ЗАКОНОВ ПРИРОДЫ

Рис. 20. Двухконтурная структура диалектического пути познания

На рис. 20 представлена двухконтурная структура. Эта схема

является обобщенной моделью механизма управления, так как она

задана на уровне наиболее существенных признаков управления.

Она едина для всех сфер, охватываемых кибернетикой, и раскры-

вает системоорганизацию, «негэнтропийную» функцию управле-

ния во всех этих сферах.

Рассмотрим связь закона отрицания с целеполаганием в при-

роде и обществе, а также целеполагание в аспекте его роли в раз-

витии технических систем [71].

В процессах организации живой природы и ноосферы цель

выступает как некоторое опережающее отражение действительно-

сти, как выражение потребности кибернетической системы. Анализ

истории развития науки и техники показывает, что чем актуальнее

целевая функция, тем активнее, быстрее идет процесс добывания

и внедрения новой информации (например, ход работ по расщепле-

нию атомного ядра, созданию ЭВМ, ракетно-космических систем,

123

лазеров и т.п.). В то же время структуры, имеющие менее актуаль-

ную целевую функцию (менее потребные, пользующиеся меньшим

спросом), в большей мере подвержены отрицанию, иначе говоря,

оттесняются более актуальными структурами.

Решение задачи – поиск человеком ответа на конкретный во-

прос, возникший в условиях объективно сложившейся обстановки.

Всякое решение есть переход от неизвестного к известному, от не-

знания к знанию. Он осуществляется посредством различных мыс-

лительных операций: изучения известных исходных данных, уста-

новления возможных диапазонов данных, известных приближен-

но, сравнения, анализа и синтеза, абстракции, конкретизации, по-

строения и проверки гипотез и другое, причем операции осущест-

вляются последовательно и целенаправленно. Познание сопровож-

дается построением альтернатив (гипотез), способных объяснить

явления реальной действительности. Выбор правильной (обосно-

ванной) альтернативы и есть установление закона. Процесс этого

выбора аналогичен процессу управления.

Как следует из определения, любой интегрированный произ-

водственный комплекс (ИКОС) включает разнообразные техниче-

ские объекты. Каждый такой объект может представлять собой

многоуровневую систему подобъектов, связанных различными

сигналами, которые моделируются потоками данных и трактуются

как ресурсы, используемые и (или) расходуемые объектами в ходе

их деятельности. Изменения ресурсов внутри объектов описыва-

ются некоторым набором процедур или функций, именуемых про-

цессами. Для анализа поведения ИКОС и сравнения различных на-

боров значений ресурсов между собой обычно используется один

или несколько критериев качества – функционалов, определенных

на тех или иных наборах ресурсов.

Важную роль при решении задач играют ресурсы, которыми

располагает система управления. При решении управленческих за-

дач выделяют следующие виды ресурсов: интеллектуальные, ин-

формационные, управляющие, операционные, коммуникационные.

Решение конкретной задачи требует определенных затрат ре-

сурсов на приобретение и освоение системы поддержки принятия

решений либо на решение ее собственными силами.

Структура и поведение сложных систем зависят от воли че-

ловека, в том числе лица, принимающего решения, особенно когда

это касается улучшения деятельности таких объектов.

124

Управление техническими объектами исследуется преиму-

щественно на уровне принятия решений об изменении (или сохра-

нении) их структуры в зависимости от общего состояния и имею-

щихся тенденций развития ИКОС. Аналогичные подходы в на-

стоящее время развиваются для систем поддержки принятия реше-

ний (СППР) в чрезвычайных [115] и нештатных [116] ситуациях.

СППР такого типа отличаются от описываемой далее системы тем,

что из-за особенностей предметной области, во-первых, основной

акцент делается на ликвидацию последствий уже реализовавшейся

ситуации и, во-вторых, преимущественно ориентируются на сете-

вые приложения разрабатываемых СППР. Задача же принятия ре-

шений по результатам моделирования ИКОС более традиционна

для теории управления, неформально она может быть поставлена

как выбор (из набора альтернативных вариантов) предпочтитель-

ной структуры реализации технических объектов, обеспечиваю-

щей требуемые характеристики их функционирования. Состояние

технических объектов может оцениваться однотипными в матема-

тическом смысле критериями, семантические значения которых

описывают степень реализации цели создания и (или) функциони-

рования объекта.

Решение задач целеполагания – прерогатива человека. Это

связано с трудностью, а зачастую и с невозможностью задания це-

левой функции управления в явном виде, неоднозначностью поня-

тия «оптимальное решение» и т.д. [47].

С точки зрения общей теории систем ИКОС в настоящей ра-

боте рассматриваются как неупреждаемая причинная временная

система. По терминологии работ [118] ИКОС относятся к гибким

дискретным системам (ГДС), т.е. системам, способным функцио-

нировать в условиях изменения целей, ситуаций и критериев и

описываемым в ходе моделирования дискретными множествами

моментов времени и значений параметра. Необходимость дискре-

тизации любых величин перед вводом их в компьютер очевидна.

Акцент же на дискретность объекта моделирования при анализе

систем управления ИКОС делается с целью отойти от оптимизаци-

онных стратегий поддержки принятия решений (точнее, вывести

их внутрь компонентов объекта исследования, обладающих неко-

торой «свободой воли»), и прийти к применению средств искусст-

венного интеллекта на основе дискретного управляемого перебора

вариантов. С этой же точки зрения в работе выбрана ориентация на

применение географических информационных систем, так как в

125

рамках предлагаемого подхода в дополнение к требованиям дис-

кретности по времени и по состояниям (предъявляемым к обыч-

ным ГДС) для моделирования ИКОС необходима дискретность их

моделей по географическому пространству, т.е. возможность со-

поставить с каждым компонентом объекта некоторое конечное

множество географических элементов стандартной конфигурации,

представимых средствами ГИС.

Проблема управления тесно связана с проблемой идентифика-

ции параметров. При анализе параметров методом наименьших

квадратов (МНК) должны выполняться некоторые необходимые и

достаточные условия, получившие наименование условий Гаусса–

Маркова [119]. Для задач небесной механики и геодезии они обычно

выполнялись. Но для систем управления, точнее, при применении

МНК в процессе управления сложным объектом, они не выполняют-

ся, и следовательно, идентификации объекта не происходит.

Исследования показали, что в некоторых случаях идентифи-

цируемость параметров не нужна. Был найден класс оптимальных

стратегий управления, названных локально-оптимальными управ-

лениями (ЛОУ), для определения которых достаточно неполных

сведений, даваемых МНК [120]. Выяснилось, что этот класс вклю-

чает обычно используемые для линейных систем стратегии управ-

ления, основанные на квадратичных интегральных критериях ка-

чества, поэтому и для них идентифицируемость необязательна.

Локально-оптимальные управления шире, чем используемые

ранее в теории линейных систем оптимальные стратегии управле-

ния, для которых имеется красивая разветвленная и законченная

теория.

В ЛОУ цель управления состоит в том, чтобы все перемен-

ные состояния объекта х

, х

, ..., х

равнялись нулю. Геометрически

это интерпретируется стремлением любой точки х (х

, ..., х

) в

процессе управления к началу координат (нулевой точке). Ско-

рость стремления к нулю служит оценкой качества управления.

Расстояние точки х от начала координат можно оценить положи-

тельной квадратичной формой:

Y = a

+ 2a

+ a

+ … + a

Скорость приближения точки х к началу координат можно

оценивать скоростью уменьшения функции. Управление можно

считать локально-оптимальным, если на любом такте управления

уменьшение функции из любой точки становится максимально

возможным.

126

Проблема неустойчивости, возникшая в процессе примене-

ния регуляторов, потребовала разработки теоретических основ ее

решения и автоматизированного управления. В исследованиях ус-

тойчивости, выполненных Дж. К. Максвеллом и И. А. Вышнеград-

ским, описана теория устойчивости регуляторов и сформулирова-

на математическая проблема, названная позднее проблемой Рауса–

Гурвица. Достаточно долго устойчивость оставалась основным

требованием, которое предъявлялось к создаваемым регуляторам.

Одна из важнейших задач теории управления – это проблема

универсализации стратегии управления. Возможность реализации

универсализации зависит от уровня новых информационных тех-

нологий и автоматизированных средств управления.

Развитие методов автоматизированного управления привело

к необходимости дифференциации устойчивости по степени ее

возвращения к нормальному режиму после возмущения. При этом

нормальный режим характеризовался неравномерностью (измене-

нием регулируемой величины, отнесенной к изменению нагрузки).

Уменьшение неравномерности вызывало неустойчивость. По этой

причине концепция построения регуляторов И. А. Вышнеградско-

го была основана на наличии неравномерности. Концепция Мак-

свелла, напротив, исходила из того, что регулятор не должен иметь

неравномерности. Полученные им условия устойчивости не могли

быть реализованы для регуляторов его времени [121]. Мечта Мак-

свелла об идеальном регуляторе осуществилась спустя значитель-

ное время с изобретением нового типа регуляторов, получивших

название изодромных.

Систему управления представим как гетерогенную структуру

с разнообразными связями между частями системы, имеющую не-

кий механизм, на основе которого в этой системе формируются

управленческие решения. Для анализа методов и систем поддерж-

ки принятия решений необходимо рассмотреть механизм форми-

рования решений в системе управления [122].

Обобщенная схема формирования управляющих решений

приведена на рис. 21. Она является общей для обоих вариантов

управления.

Схема основана на классическом трехуровневом управлении.

На верхнем стратегическом уровне определяют проблемы, тре-

бующие решения с учетом стратегических целей. Управляющее

воздействие на нижний уровень тактического управления форми-

руется в явном и неявном видах.

127

Стратегические

цели

Стратегическое

управление

Контроль воздействия

Результат воздействия

Воздействие среды

Продукция

Внешняя среда

Мониторинг объекта управления

Объект управления

Мониторинг среды

Оперативный анализ

Оперативное управление

Оперативные цели

Тактический анализ

Тактическое управление

Тактические цели

Стратегический

анализ

Рис. 21. Схема формирования управляющих решений

В явном виде управляющее воздействие формируется в виде

указаний и директив, в неявном – в виде тактических целей.

На тактическом (среднем) уровне управления происходит

детализация информации, нисходящей с верхнего уровня. Условия

решения проблем и тактические цели трансформируются в планы

и проекты, которые согласовываются. Решения проблем на основе

декомпозиции переводятся в решения задач выработки решений.

После согласования тактические планы преобразуются в

оперативные планы, а проекты завершаются подготовкой рабочей

документации.

Управляющее воздействие на нижний оперативный уровень

также формируется в явном и неявном видах. В явном виде управ-

ляющее воздействие формируется в виде регламентных решений

задач, планов, указаний и директив, в неявном – в виде оператив-

ных целей. Директивы и оперативные цели служат основой для

формирования операций нормального функционирования объекта

управления.

Поскольку любой управляемый объект в зависимости от

уровня его рассмотрения представляет собой систему (для распре-

деленного варианта) или подсистему (для интегрированного вари-

128

анта управления), то необходимо проводить мониторинг объекта

управления. Этот мониторинг включает обратную связь в систему

управления и этим создает возможность регулирования между

операционным и тактическим уровнями управления.

На данном этапе анализа необходимо подчеркнуть сходство

подходов к формированию управленческих решений с верхних

уровней управления на низшие уровни в виде целей и директив.

Директивы являются жесткими управляющими решениями

для нижестоящих уровней. Формирование целей оставляет за ис-

полнителем возможность маневра и создает определенную свободу

при выборе решений. Однако во втором случае большая часть от-

ветственности за принимаемые решения ложится на исполнителя.

На нижнем оперативном уровне управляющие решения вы-

рабатываются как операции, которые обеспечивают нормальное

функционирование управляемого объекта. Результатом деятельно-

сти данного объекта является производство, выпуск продукции

средств связи.

Поскольку объект находится во внешней среде, то продук-

ция, поставляемая на рынок, испытывает воздействие этой среды.

Результат воздействия среды может быть спрогнозирован, а может

быть неожиданным. Поэтому осуществляется контроль воздейст-

вия внешней среды на выпускаемую продукцию. Этот контроль

создает еще одно звено обратной связи. Таким образом предло-

женная выше двухконтурная схема управления реализуется на

производстве средств связи.

Информация о функционировании управляемого объекта и

взаимодействии выпускаемой продукции в форме восходящих ин-

формационных потоков поступает на уровни управления. Перво-

начально она в форме первичной информации поступает на опера-

тивный уровень для оперативного анализа.

Главными факторами оперативного анализа являются затра-

ты времени и объем работ по обработке информации. Решения

должны приниматься в минимально короткие сроки при обработке

больших объемов информации. Это достигается использованием

регламентных методов управления, т.е. заранее разработанных ме-

тодов реакции на соответствующие факторы или их изменения.

Увеличение объемов первичной информации в настоящее

время практически исключает полный и комплексный анализы

этой информации человеком и требует использования производи-

тельных вычислительных систем.

129

Основными операциями при анализе первичной информации

являются:

– регламентное решение возникающих задач;

– выявление аномальных (нерегламентных) ситуаций и пе-

редача информации о них на вышестоящие уровни;

– унификация разнородной первичной информации для

удобства анализа на вышестоящих уровнях.

Информация, поступающая по звену обратной связи на так-

тический уровень управления, является унифицированной. Она

уже содержит элементы некого обобщения. Основными задачами

анализа на тактическом уровне являются:

– анализ аномальных ситуаций и разработка регламентных

методов их решений;

– выявление тенденций в поведении управляемого объекта,

среды и взаимодействия продукции со средой;

– обобщение и агрегирование информации для передачи ее

на верхний уровень стратегического управления.

Тактический уровень управления обеспечивает передачу ин-

формации на нижний оперативный уровень и на верхний. На ниж-

ний уровень передаются скорректированные оперативные цели и

новые разработанные регламентные методы управления. На верх-

ний уровень передается сжатая информация в обобщенной форме.

Таким образом, основные работы по поддержке принятия

решений осуществляются на среднем уровне управления. Именно

развитый аналитический аппарат среднего уровня управления (ин-

теллектуальный потенциал, компьютерные системы) определяет

качество подготавливаемых решений.

На верхнем стратегическом уровне управления имеют дело с

агрегированной информацией, поступающей со среднего уровня, и

данными мониторинга внешней среды, поступающей непосредст-

венно в аналитическую группу стратегического управления.

Как следует из рассмотренного, на верхнем уровне управле-

ния формально накапливается наиболее полная информация. Од-

нако эта информация обобщена и агрегирована в аналитических

группах, поэтому ее достоверность и адекватность определяются

качеством работы аналитических групп и правильностью выборов

обобщающих показателей.

Задачи стратегического управления, как правило, являются

многокритериальными. Особенностью является то, что критерии

130

могут быть противоречивыми, например, оптимальное решение по

времени может быть не оптимальным по затратам. Цель «снижение

издержек» противоречит цели «увеличение оплаты труда» и т.д.

При стратегическом управлении многие критерии могут быть

взаимно несогласованными и не всегда формализуемыми. Воз-

можны ситуации (особенно при отсутствии прогнозирования и

поддержки принятия решений), когда стратегические решения

приходится принимать в условиях быстрых качественных измене-

ний ситуации или при неполной и неточной информации.

Можно утверждать, что современная система управления яв-

ляется многоуровневой, сложной системой, включающей несколь-

ко звеньев обратной связи, обеспечивающих регулирующие функ-

ции. В этой системе осуществляются многоэтапное преобразова-

ние и обобщение информации. Обработка информации в совре-

менной системе управления невозможна без применения компью-

терной техники и современных информационных технологий. Эф-

фективность управления существенно повышается при наличии

системы поддержки принятия решений (СППР).

Стратегия разработки структуры систем управления опти-

мальным проектированием как концепция управления, направлен-

ного на изменение в процессе проектирования управляющих воз-

действий, выбирается на основе результатов исследования моде-

лей. В общем виде эта задача относится к трудно формализуемым.

Поэтому лишь часть функций может быть реализована в автомати-

ческом режиме; окончательное решение принимает ЛПР с учетом

всей имеющейся информации. По сути дела, здесь речь идет о

проблеме организации процесса проектирования РЭС и систем

связи, в котором проектные решения принимаются и корректиру-

ются на уровне моделей.

Применение инженерии знаний для частичной формализации

профессиональных знаний составляет основу смысловой модели

предметной области.

Базовые семантические модели предметной области пред-

ставляются в виде множества понятий предметной области P,

взаимосвязанных некоторым множеством отношений R.

Понятия представляют собой описания материальных объек-

тов, их свойств, процессов и состояний. Последовательность эле-

ментарных актов взаимодействия объектов и исследования их

свойств определяются понятием процесс.

Общая модель ИКОС основана на формализации типичной

деятельности проектировщиков при организации и проведении ра-