2.6. Модели динамики процесса управления в проблемных ситуациях
В соответствии с принципами моделирования процессов управления сложными динамическими системами в проблемных ситуациях разработан комплекс метамоделей представления и обработки знаний. Метамодели соответствуют содержимому пакетов архитектуры ИСППР, показанной на рис. 2.15. Так, пакет «База знаний» содержит классы «Правило», «Прецедент» и другие классы представления и обработки знаний.
Согласно объектному подходу предметная область процесса управления в проблемных ситуациях содержит правила принятия решений и прецеденты – конкретные объекты реального процесса, которые связаны отношениями обобщения (категория прецедентов - прецедент) зависимости (признак – мера сходства) и ассоциации (правило - прецедент). На рис. 2.16 показаны свойства этих классов и отношения между ними (фрагмент модели структуры классов базы знаний).
Рис. 2.16. Фрагмент модели структуры классов базы знаний
Рис. 2.17. Диаграмма классов, моделирующая структуру системы нечеткого вывода
Разновидностью систем, основанных на правилах, является система нечеткого вывода. Диаграмма классов, моделирующая структуру системы нечеткого вывода, показана на рис. 2.17.
В некоторых приложениях система может иметь слишком много релевантных деталей в рамках единственной абстракции, что затрудняет ее интеллектуальную управляемость. В подобных случаях можно обеспечить такую управляемость путем декомпозиции модели в иерархию абстракций. Иерархия позволяет управляемым образом вводить релевантные детали. Абстракции на любом заданном уровне иерархии позволяют (временно) игнорировать многие релевантные детали при понимании абстракций на следующем, более высоком уровне.
Множественное наследование отображается через сетевую рекурсию, которая задает сеть отношений между экземплярами родительской и дочерней сущностей. Это случай, когда сущность находится сама с собой в отношении «многие ко многим».
На рис. 2.18 показана модель «сущность – связь» (англ. Entity Relationship Diagram, ERD) в нотации IDEF1X [43], показывающая иерархию классов представления знаний в базе знаний.
Одно из преимуществ такой "иерархии абстракций" заключается в возможности доступа различных пользователей к модели на разных уровнях абстракции. Таким образом, единственная модель может совместно использоваться несколькими различными пользователями без нарушения их требований к доступу. Другим достоинством иерархии абстракций является повышенная стабильность модели в процессе развития приложения или самой системы. Изменения в тех деталях, которые игнорируются на более высоких уровнях модели, не будут затрагивать эти уровни. Некоторые изменения, конечно, будут при этом распространяться с нижнего уровня на верхний. В соответствии с этой техникой объекты, относящиеся к предметной области, классифицируются на некоторое число категорий или классов на основании их общих свойств.
Рис. 2.18. Иерархия классов представления знаний в базе знаний
В структуре базы знаний реализован метод наследования свойств, определяющий отношения в иерархии классов «Правило – Категория прецедентов – прецедент». Приведем пример отношений обобщения между классами объектов в конкретной предметной области.
На рис. 2.19 показана схема структуры базы правил, предназначенной для управления предоставлением сервисов сети Интернет, в том числе и в проблемных ситуациях. Выделенные классы правил образуют иерархию, соответствующую установленной иерархии объектов модели использования сервисов Интернет. На приведенной модели видно, что классы представления услуг Интернет (электронной почты, WWW и др.) подчинены классу контроля доступа в подсеть Интернет, а этим классам, в свою очередь, подчинены классы, управляющие более детальным предоставлением сервисов. Это означает, что в классах нижних уровней иерархии наследуются свойства классов, определенные в классах верхнего, «родительского» уровня (понятия, атрибуты и поведение классов объектов предметной области управления вычислительными сетями) в результате объектного моделирования.
Рис. 2.19. Пример иерархии классов правил и прецедентов в базе
знаний для управления предоставлением сервисов услуг Интернет
Например, объект "Сервер" может представлять собой структуру данных, хранящую детализированную информацию о сервере: его имя, адрес и конфигурацию аппаратного и программного обеспечения, необходимую для адаптации решений по восстановлению работоспособности вычислительной сети.
Каждый класс может иметь атрибуты (свойства). Так, на рис.2.20 класс Поиск ближайших прецедентов имеет атрибут результат поиска. Кроме того, каждый класс может иметь операции – некоторые действия, описывающие поведение объектов класса. Каждой операции соответствует метод - реализация этой операции для объектов данного класса.
Рис. 2.20. Фрагмент статической модели базы знаний для управления предоставлением сервисов услуг Интернет
На рис.2.20 класс Поиск ближайших прецедентов имеет методы инициализировать Поиск ( ), искать ( ), получить Значение Признака (), вычислить Сходство ( ), получить Решение (), отобразить Результат Поиска (), закончить Поиск (). Все объекты данного класса используют один и тот же экземпляр каждой операции (т.е. увеличение количества объектов некоторого класса не приводит к увеличению количества загруженного программного кода). Объект, из которого вызвана операция, передается ей в качестве ее неявного аргумента (параметра).
Моделирование операций поиска осуществляется на основе принципа полиморфизма. Одна и та же операция может, вообще говоря, применяться к объектам разных классов: такая операция называется полиморфной, так как она может иметь разные формы для разных классов. Например, для объектов классов Правило и Прецедент можно определить операцию Поиск; эта операция будет полиморфной, так как поиск правил и поиск ближайших прецедентов, вообще говоря, разные операции. Инкапсуляция продукционных правил, представляющих ограничения значения параметров, и логического вывода повышает эффективность поиска решений. Кроме того, благодаря введению специального класса ограничений, позволяющего моделировать простейшие продукционные правила, удалось локализовать внутри объекта не только вычисления, но и вывод. Такой перенос части процессов логического вывода на локальный уровень, где можно реализовать их эффективнее, позволяет значительно повысить эффективность вывода.
Поиск решений на множестве правил в базе знаний выполняется определенным комплексом рекурсивных алгоритмов вывода решений в базе правил. Цель выполнения алгоритмов состоит в том, чтобы на основании описания текущей ситуации определить, какой класс базы правил и какие правила будут работать. По окончании работы текущего правила алгоритм проверяет условия окончания задачи, и если они не удовлетворены, то выполняется очередной цикл. В общем случае работа алгоритма вывода в каждом цикле состоит в последовательном выполнении четырех этапов: выборки, сопоставления, разрешения конфликтов, выполнения.
На рис. 2.21 показаны модели информационной структуры поиска решения в базе знаний.
Особенностью модели процесса управления в проблемных ситуациях является то, что она должна отображать моделируемый процесс в реальном времени. ИСППР относится к классу систем реального времени. Под системами, работающими в реальном времени, понимаются системы, обеспечивающие быструю обработку информации, или решающие задачу быстрее, чем человек, или реагирующие на поступающую информацию со скоростью ее поступления. Важнейшим параметром систем РВ является время реакции, то есть время, необходимое системе для распознавания внешнего воздействия и формирования соответствующего отклика. Применительно к ИСППР считаем, что она работает в реальном времени, если гарантированно обеспечивается время реакции, не превышающее заданное, причем время реакции определяется условиями задачи. Так, в электронном консультанте летчика фирмы Lockheed время реакции при определении цели составляет 0.5 с, а при оценке угроз – 0.1 с.
Особенности функционирования ИСППР в реальном времени:
Работа с неполной, неточной и устаревающей информацией (достоверность получаемой информации уменьшается с течением времени, в связи с изменением состояния объекта управления под воздействием внешних факторов или других причин развивающейся проблемной ситуации);
Обеспечение требования отказоустойчивости (работа системы не должна прекращаться из-за выхода из строя одной или нескольких информационных подсистем или отдельных элементов самой ИСППР);
Возможность адаптивной реакции на незапланированные события (должны предусматриваться средства прерывания заданной программы после получения информации о незапланированных событиях. Системы должны обеспечивать оценку значимости событий и сосредоточивать свои ресурсы на информации о наиболее важных событиях);
Гарантированное время реакции (должно обеспечиваться получение рекомендаций, в общем случае с оценкой их достоверности, за заданное время, которое можно варьировать).
Рис. 2.21. Информационные структуры алгоритма поиска
решений в базе знаний
Рис. 2.22. Пример диаграммы классов для системы, работающей
в реальном времени
При моделировании следует учесть, что значения признаков ситуации действительны на некотором отрезке времени, и моменты времени принятия решений и исполнения сценария, реализующего принятое решение, также должны быть показаны на диаграммах (см. рис. 2.22).