Рыбина Технология построения динамических 2011

1.2.3. Типовые неформализованные задачи для динамических ИЭС

Многолетний зарубежный и отечественный опыт разработки статических и динамических ИнСист для различных приложений, выделил порядка 8-10 типовых неформализованных задач (НФзадач), для которых, например, использование технологии СОЗ(ЭС) приносит значительные результаты [2], [3], [5], [24]-[26]. Ниже приведена расширенная по сравнению с [2] таблица с указанием особенностей НФ-задач для использования в статических и динамических ИЭС (табл. 2).

Таблица 2

31

Комментарий к таблице:

Обобщенная постановка типовой задачи анализа: задана модель сущности/совокупности сущностей, например, модель предметной области или ее фрагмент. Требуется на основе анализа этой модели определить некоторые неизвестные характеристики (функции).

Задача синтеза: даны условия, которым должны удовлетворять характеристики (функции) некоторой «неизвестной» модели. Требуется построить модель этой сущности/совокупности сущностей.

1.2.4. Требования, предъявляемые к базовым параметрам статических и динамических ИЭС

В соответствии с [2] для выбора соответствующего подхода к разработке статических и динамических ИЭС необходимо детально оценить приведенные ниже факторы:

1. ТИП ПРОБЛЕМНОЙ ОБЛАСТИ.

1.1. Характеристики предметной области.

1.1.1.Понятийная структура предметной области (способы организации сущностей в понятия предметной области).

1.1.1.1.Простые понятия.

1.1.1.2.Сложные понятия.

1.1.2.Способы описания сущностей предметной области. 1.1.2.1.Фиксированный состав сущностей (неизменяемый от

консультации к консультации).

1.1.2.2. Переменный состав сущностей (т.е. изменяемый). 1.1.3. Способы рассуждений, принятые в предметной области. 1.1.3.1. Дедуктивный способ.

32

1.1.3.2.Индуктивный способ.

1.1.3.3.Способ рассуждений по аналогии или прецедентам.

1.1.3.4.Рассуждения посредством выдвижения гипотез. 1.1.4. Тип предметной области.

1.1.4.1.Статический (входные данные не изменяются во время

сеанса работы ИЭС, а значения других данных изменяются только самой системой).

Комментарий: ИЭС работает в статической предметной области, если она использует статические представления и решает статические задачи.

1.1.4.2. Динамический (входные данные, поступающие от внешних источников, изменяются во времени, значения других данных изменяются ИЭС или подсистемой моделирования внешнего мира).

Комментарий: ИЭС работает в динамической предметной области, если использует динамическое представление и/или решает динамические задачи. Здесь, как правило, выделяют:

∙системы «мягкого» РВ (время реакции на событие >0,1-1 сек);

∙системы «псевдореального» времени (получают и обрабатывают данные, поступающие от внешних источников);

∙системы «жесткого» РВ (время реакции на событие <0,1-0,5 сек).

1.2. Характеристики типов решаемых НФ-задач. 1.2.1. Задачи анализа и/или синтеза.

Комментарий: Решение задачи синтеза – это более сложный, итеративный процесс, включающий следующие шаги: создание исследовательской модели сущностей, анализ построенной модели (т.е. решение задачи анализа), сравнение результатов анализа с условием задачи.

1.2.2.Статические и/или динамические задачи (табл. 2).

1.2.3.Частность/общность задач, представляемых в виде исполняемых утверждений (правил, формул, процедур и т.д.).

Комментарий: Происходит выделение общих задач, которые могут являться как НФ-задачами, например, представляемые общими правилами G2, так и формализованными задачами (Ф-задачами), например, представляемые с помощью общих процедур и формул в G2. Аналогично выделяются частные задачи, которые также делятся на НФ-задачи (частные правила G2) и Ф-задачи (частные процедуры и формулы G2).

2.ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ИЭС И ЕЕ КОМПОНЕНТОВ.

2.1.Простая ЭС/интегрированная ЭС, т.е. ИЭС.

2.2.Неструктурированная/структурированная БЗ.

2.3.Возможности средств создания и отладки БЗ.

3.ТРЕБОВАНИЯ И ЦЕЛИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ИЭС.

33

3.1.Требования к очередности решения наборов задач.

3.2.Требования к структуре диалога.

3.3.Требования к объяснительным способностям.

3.4.Требования к форме (языку) общения.

3.4.1.Естественный язык.

3.4.2.Формальный язык.

3.4.3.Система меню.

3.4.4.Многооконная графика.

3.4.5.Гипертекстовые средства.

3.5.Требования к подсистеме моделирования внешнего мира в динамических ИЭС.

3.5.1.Система моделирования отсутствует.

3.5.2.Существует система моделирования общего назначения, являющаяся частью универсального ИС.

3.5.3.Существует специализированная система моделирования, являющаяся внешней по отношению к ИС, на котором реализуется динамическая ИЭС.

3.6.Требования к подсистеме сопряжения с внешним миром в динамических ИЭС.

3.6.1.Требования к средствам сопряжения с внешним миром

(например, Telewindow, GSI и др.)

3.6.2.Требования к типам программируемых контроллеров (стандартные для ведущих фирм).

3.6.3.Требования к типам систем сбора данных.

3.6.4.Требования к типам концентраторов данных и т.д.

Таким образом, новым важным компонентом архитектуры любой динамической ИЭС (по сравнению с архитектурой статической ИЭС) является подсистема моделирования внешнего мира, методам построения которой в данном разделе будет уделено основное внимание. Что касается вопросов построения временных (темпоральных) решателей для динамических ИЭС, то здесь они не рассматриваются, так как, с одной стороны, эти проблемы достаточно хорошо освещены в русскоязычной литературе, например [10]-[13], а с другой – использование мощных универсальных ИС типа G2 со встроенными средствами временного вывода избавляет разработчиков от трудозатрат по реализации этого компонента.

34

Для более углубленного изучения типов различных ИЭС и типов ИС можно рекомендовать работы [3], [5] из основного списка литературы.

1.3. Методы построения подсистем моделирования внешнего мира в ДИС (на примере динамических ИЭС)

1.3.1. Общие положения имитационного моделирования

Подсистема моделирования внешнего мира (окружения) – это подсистема, использующаяся для моделирования поведения реальных объектов и устройств, с которыми работает динамическая ИЭС, т.е. подсистема моделирования внешнего окружения является одним из возможных источников данных в целом для ДИС.

Рассмотрим эти вопросы более детально. Основным подходом (методом) для моделирования поведения реальных объектов типа СТС является имитационное моделирование, которое позволяет [6],

[7], [29]:

1. Сделать выводы о поведении СТС и ее особенностях, причем:

∙без построения СТС (если это проектируемая система);

∙без вмешательства в её функционирование (если это действующая система);

∙без проведения дорогостоящих экспериментов или разрушения СТС.

2. Синтезировать и исследовать стратегии управления.

3. Прогнозировать и планировать функционирование системы в будущем.

4. Обучать и тренировать диспечерско-управленческий персонал.

Создание математической модели СТС наталкивается на значительные трудности из-за недостаточной изученности протекающих

вСТС процессов. Поэтому первой задачей для построения моделей является изучение и формализация процессов, протекающих в СТС, и построение концептуальных математических моделей. На практике, как правило, процесс построения моделей СТС, т.е. имитационное моделирование, является итеративным, в связи с чем

35

выделяют два определения понятия «имитационное моделирова-

ние» [6], [7].

Определение. Имитационное моделирование (в широком смысле) – процесс конструирования модели реальной системы и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить (в рамках накладываемых ограничений) различные стратегии, обеспечивающие функционирование системы.

Определение. Имитационное моделирование (в узком смысле)

– представление динамического поведения системы посредством продвижения ее от одного состояния к другому в соответствии с хорошо известными операционными правилами (алгоритмами).

Таким образом, имитационное моделирование заключается в построении компьютерной модели и проведении на ней экспериментов и позволяет решать задачи в тех областях математического моделирования, где это невозможно сделать с помощью математических, статистических и других методов.

Взависимости от способа представления процессов, происходящих в моделируемом объекте, системы имитационного моделирования могут быть дискретными/непрерывными, пошаговыми/событийными, детерминированными/стохастическими, стационарными/нестационарными.

На рис. 3 представлены стандартные этапы проведения имитационного эксперимента, которые хорошо описаны в литературе по имитационному моделированию [6], [7].

Вцелом имитационное моделирование является эффективным, но не лишенным недостатков методом. Основные трудности его использования связаны с адекватностью описания СТС, интерпретацией результатов и решением проблем размерности.

Втабл. 3 представлены основные фазы в развитии ИС для поддержки имитационного моделирования.

Рассмотрим более детально основные современные подходы к имитационному моделированию и построению имитационных мо-

делей СТС [3], [6], [7], [29].

36

Рис. 3. Этапы имитационного эксперимента

1.3.2. Подходы к построению имитационной модели

Из всех этапов имитационного эксперимента (см. рис. 3) уделим особое внимание вопросам создания имитационной модели (ИМ). Как показано в [6], [7], при описании функционирования сложных дискретных систем, подклассом которых являются, как правило, СТС, могут использоваться: события (S), действия (A) и процессы (P), в соответствии с чем выделяют три альтернативных методологических подхода к построению ИМ, а именно:

∙дискретно-событийный (или событийный);

∙подход сканирования активностей;

∙процессно-ориентированный.

37

Рассмотрим более детально использование понятий из [6], [7] применительно к СТС.

Событие в СТС – некоторое действие с нулевой протяженностью во времени, которое происходит мгновенно. Действие, требующее для своей реализации определенного интервала времени, имеет собственное имя и связано с двумя событиями – началом и окончанием. Длительность действия зависит от многих причин: времени его начала, используемых ресурсов, характеристик управления, влияния случайных факторов и т.д. В течение времени протекания действия в СТС могут возникнуть события, приводящие к преждевременному завершению действия. Последовательность действий образует процесс в СТС (рис. 4).

Два и более действия в СТС могут пересекаться во времени. Они могут быть полностью не зависимыми друг от друга, когда не используют общих ресурсов СТС или не обеспечивают друг друга ресурсами. При этом в СТС они могут происходить в любом порядке относительно друг друга. Если же действия используют об-

38

щие ресурсы или связаны входом-выходом, то они должны быть полностью или частично синхронизированы.

Рис. 4. Взаимосвязь между событиями, действиями и процессом

Таким образом, характерной особенностью СТС является наличие параллельных взаимосвязанных процессов, которые выполняются одновременно, независимо и время от времени взаимодействуют друг с другом. При этом каждый процесс, в свою очередь, может представлять собой либо последовательный процесс конвейерного типа (например, процесс механической обработки детали), либо некоторый граф операций типа дерева. Принцип параллельности процесса в СТС реализуется как на уровне ее организации, так и на уровне ее управления.

Событийный подход. В соответствии с [6], [7], при событийном подходе описываются только события, которые могут изменять состояние системы и определять логические взаимосвязи между ними. Процесс моделирования осуществляется путем выбора события из списка будущих событий, ближайшего по времени, и его выполнении. Выполнение события приводит к изменению состояния СТС и генерации будущих событий, логически связанных с выполняемым. Эти события заносятся в список будущих событий и упорядочиваются в нем по времени наступления, причем в событийных системах модельное время фиксируется только в момент изменения состояний.

Например, событие «Начало заправки автомобиля» на АЗС приводит к появлению в списке будущих событий события «Окончание обслуживания», которое должно наступить в момент времени

39

tокон=текущему времени(tнач) +время, требуемое на событие заправки бензина в автомобиль(tзап) [6], [7].

Сканирование активностей. В этом случае описываются все действия, в которых принимают участие элементы СТС, и задаются условия, определяющие начало и конец действий. После каждого продвижения имитационного времени условия всех возможных действий проверяются, и если условие выполняется, то происходит имитация соответствующего действия. Выполнение действия приводит к изменению состояния СТС и возможности выполнения новых действий.

Например, для начала действия «Заправка автомобиля» необходимы три условия: наличие свободной бензоколонки, наличие прибывшего автомобиля и наличие свободного заправщика, причем, если хотя бы одно из этих условий не выполнено, то действие не начинается.

Процессно-ориентированный подход. Здесь описывается по-

следовательность компонентов модели, возникающих по определенной схеме, а логика возникновения конкретных компонентов задается одним оператором языка. Моделируется процесс продвижения активных элементов через систему, который сопровождается определенной последовательностью событий. Иначе говоря, этот подход сочетает в себе элементы событийного подхода и подхода сканирования активностей (например, оператор генерации прибытия автомобилей, оператор занятия автомобилем бензоколонки, либо оператор организации очереди на АЗС).

Таким образом, любой из рассмотренных подходов к описанию СТС может быть использован при создании ИМ. Однако следует отметить, что поскольку ИМ является компьютерной программой, то при её разработке возникают те же проблемы, что и при создании любой сложной программы.

С другой стороны, возникшие при создании ИМ проблемы, очень часто аналогичны проблемам, возникающим в ИИ, в частности, при работе со знаниями.

Для разработки ИМ данные и знания о СТС и процессах в них должны быть каким-то образом получены, формализованы и занесены в БД и БЗ. Основная проблема заключается в отделении знаний и данных от программы поддержки ИМ. Поэтому необходимо

40