Методика и информационно-программное обеспечение игрового проектирования моделей предметных областей для экспертных систем поддержки принятия решений

Наша современность характеризуется несколькими новыми свойствами, отличающими ее от всех других этапов развития цивилизации:

• появилось огромное количество и типов предприятий, благодаря деятельности малого, среднего и крупного бизнеса, а также государственных, муниципальных и общественных структур, в каждой из которых обязательным элементом является система управления с лицами, принимающими решения (ЛПР);

• в связи с вступлением цивилизации в стадию информационного общества, благодаря глобальным сетям связи, новым возможностями вычислительной и другой цифровой техники, у человечества появились принципиально новые возможности, изменившие все традиционные сферы жизни человека: общение, обучение, работа, искусство и т. д.;

• огромное количество новых вызовов и угроз человечеству породило большое число новых задач, требующих незамедлительных решений, и, самое главное, хороших решений, поскольку плохие решения могут нести колоссальные опасности для всей цивилизации.

В этих условиях роль ЛПР и систем управления неизмеримо выросла, по сравнению с предыдущими этапами, по ответственности перед обществом. Также неизмеримо выросла роль информатизации, информационных систем, особенно интеллектуальных. Общество доросло до понимания необходимости интеллекта у информационных систем, у систем управления корпорациями, даже у систем, с которыми работают небольшие предприниматели. Осознание этого привело к новым типам информационных систем — систем с «интеллектом», таких как хранилища данных (ХД), системы управления знаниями (СУЗ). Практически всегда в их «интеллект» входят системы поддержки принятия решений (СППР), в том числе экспертные системы (ЭС). ЭС исторически возникли в 70-е гг. и прошли большой путь развития, имеют четко утвердившуюся технологию, инструментальные средства и языки реализации. Поэтому естественно, что эти технология, языки и средства вошли в арсенал, например СУЗ, СППР, став технологиями их разработки. Сравнение показывает, что технология разработки СУЗ и ЭС практически совпадают (идентификация —> концептуализация —> формализагрш —у реализация —> тестирование). Но это означает, что и проблемы развития ЭС стали проблемами СУЗ и СППР. Известно, что основой любой ЭС является модель предметной области (ПрО), или база знаний (БЗ). Важность и даже первостепенность модели ПрО подчеркивается тем, что в этой связи, появилось целое направление, связанное с системами искусственного интеллекта (СИИ) -«Инженерия знаний» и профессия «Инженер по знаниям» (системный аналитик, инженер-когнитолог, менеджер по знаниям). При разработке ЭС от качества его работы, от его опыта, способности к системному и концептуальному мышлению, его психологичности, т. е. умения разговорить эксперта, внушить ему доверие и желание по новому познавать ту ПрО, специалистом которой он является, зависит все: время на разработку ЭСее качественные характеристики — быстродействие, функциональные возможности, полнота покрытия ситуационного пространства управления и принятия решенийкомфортностьвыбор инструментальных средств. Фактически, опытный инженер по знаниям должен быть, и психологом, и философом, и педагогом, и лингвистом, и специалистом в областях получения, структурирования и формализации знаний, разбираться в инструментальных программных средствах проектирования и разработки ЭС, знать и уметь еще очень многое. Ко всему, он должен иметь хороший опыт практической разработки ЭС для произвольных ПрО. Вот таким в идеале должен быть хороший инженер по знаниям. Очевидно, что в рамках тех академических часов, которые отводятся в вузах на лекции, лабораторные и курсовые работы, еще и при отсутствии возможности участия студентов в НИРах, за редкими исключениями, подготовить хорошего специалиста, инженера по знаниям, невозможно.

Разработке теоретических основ инженерии знаний и реализации соответствующих методов в ЭС посвящены работы Андрейчикова А. В. и Андрейчиковой О. Н., Гавриловой Т. А., ОсиповаГ.С., Рыбиной Г. В., Стефанюка В. Л., Тарасова В. Б., Финна В. К., Хорошевского В. Ф., и др. Но, несмотря на огромный арсенал разработанных методов (более 200), проектирование моделей.

ПрО до сих пор остается искусством, т.к. эти методы не обеспечивают единого подхода, целостного видения проблемы-и, соответственно, технологии разработки ЭС.

Известно, что исторически наиболее популярной формой стимулирования и активизации деятельности и, особенно обучения, являются игры различных форм и направленности. Разработке теории и практики деловых игр как наиболее популярного и распространенного метода активного обучения посвящены работы Вербицкого А. А., ГеронимусаЮ.В., ДанчулаА.Н., Емельянова Ю. Н., Красовского Ю. Д., Крюкова М. М. и Крюковой Л. И., Ладенко И. С., Сыроежина И. М., Щедровицкого Г. П. и др. Применение деловых игр как метода инженерии знаний (экспертные игры), делалось (Гинкул Г. П.), но относительно решения узких (частных) задач, но не к технологии разработки СППР в целом.

Таким образом, недостаточная исследованность проблемы инженерии знаний остается главным тормозом для дальнейшего развития ЭС, СППР, СУЗ и, в этой связи, сохраняет актуальность проблемы поиска новых форм и методов получения, структурирования и формализации знаний. Эта же проблема существует и при подготовке специалистов по разработке информационных систем с «интеллектом» в высшей школе, проявляясь как несоответствие имеющихся методов традиционного обучения сложностям современных задач и объемам информации для обработки.

В этой связи, данное исследование посвящено проблемам инженерии знаний и разработке именно игрового подхода к проектированию моделей ПрО для ЭСППР как комбинации связанных игр различных типов: идентификационных, концептуальных, ситуационно-деятельностных. Теоретической основой для реализации стал метод ситуационного анализа и проектирования моделей ПрО произвольного типа, методические и инструментальные средства, разработанные Болотовой (Загадской) Л.С. и под её руководством.

Цель работы: повысить качество и скорость проектирования моделей произвольных ПрО для ЭСППР и, соответственно, качество подготовки инженеров по знаниям в вузах путем введения игровой формы проектирования и обучения.

Для достижения этой цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

• исследовать современное состояние и проблемы инженерии знаний в ЭС;

• исследовать технологии проектирования моделей ПрО и ЭС;

• исследовать существующие формы обучения, в т. ч. игровые;

• разработать теоретические основы метода ситуационного анализа и проектирования в части, необходимой для применения игрового подхода;

• разработать методику игрового проектирования моделей ПрО для ЭСППР;

• разработать информационно-программное обеспечение игрового проектирования;

• исследовать эффективность методики и информационно-программного обеспечения путем проведения конкретных игр.

Объект исследования — сам процесс проектирования ЭС, методы инженерии знаний, программные средства поддержки инженера по знаниям в процессе проектирования.

Предмет исследования — игровое проектирование моделей произвольных ПрО для ЭСППР.

Методы исследования. При выполнении диссертации использовались методы извлечения, структурирования и формализации знаний, методы активного обучения, метод ситуационного управления (Поспелов Д.А., Болотова (Загадская) JI.C.), метод концептуального анализа и проектирования систем организационного управления (Никаноров С.П., Кучкаров З.А.), методы экспертных оценок, методы формализованного представления систем (Волкова В.Н., Денисов А.А.).

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена данными игрового проектирования моделей конкретных ПрО, а также сравнением полученных результатов с результатами решения этих же задач без игрового моделирования, в том числе с компьютерной поддержкой.

Научная новизна.

1) Интерпретация и применение игрового подхода к проектированию моделей ПрО для ЭСППР.

2) Теоретические основы проектирования моделей ПрО в части разработки возможных типов взаимодействия концептуальных структур единичных решений и уровней концептуализации ПрО.

3) Методика игрового проектирования моделей ПрО.

4) Сценарии игр: для идентификации ПрО на соответствующем этапеидентификационные, для обучения концептуализации — концептуальныедля проектирования модели ПрО — ситуационно-деятельностные.

На защиту выносятся.

1) Типы взаимодействия концептуальных структур единичных решений.

2) Уровни концептуализации ПрО.

3) Методика игрового проектирования моделей ПрО.

4) Сценарии идентификационных, концептуальных и ситуационно-деятельностных игр. у.

5) Программные средства реализации идентификационных игр «ЭкспИдент» и концептуальных игр — «Концепт».

Практическая значимость результатов работы.

Теоретические основы проектирования моделей ПрО, методика, сценарии и информационно-программное обеспечение игрового проектирования внедрены: в учебный процесс на кафедре Вычислительной техники МИРЭА, на кафедре Государственного и муниципального права и управления Таганрогского технологического института ФГОУ ВПО «Южный федеральный университет" — в разработку проекта ЭСППР для управления элементами бортового и наземного сегментов глобальных спутниковых коммуникаций в ООО «ГЛОБСАТКОМ" — в разработку базы знаний ЭСППР для управления трудовойдисциплиной в ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 55, 56, 57 и 58-ой НТК МИРЭА, Москва, 2006;2009;

• 3-ей НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов РГУИТП, Москва,.

• 1 и 2-ой международных молодежных конференциях «Искусственный интеллект: философия, методология, инновации», Москва — Санкт-Петербург, 20 062 007;

• 2-ой Всероссийской НИК «Перспективные системы и задачи управления», Домбай, 2007;

• Международных НТК AIS'08 «Интеллектуальные системы» и CAD-2008 «Интеллектуальные САПР», Дивноморск, 2008;

• 8-ой НПК «Современные информационные технологии в управлении и образовании: новая волна», НИИ «Восход», Москва, 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 1 в ведущем рецензируемом научном журнале, определяемом Высшей аттестационной комиссией.

Вклад автора в проведенное исследование.

Все результаты проведенного исследования получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 105 наименований, и пяти приложений. Объем основного текста составляет 151 печатную страницу, 9 таблиц и 77 рисунков. Объем приложений — 147 печатных страниц.

Заключение

.

1) Исследовано современное состояние и проблемы инженерии знаний в ЭС и сделан вывод о том, что прохождение этапов идентификации и концептуализации остаются искусством и полностью зависят от подготовленности инженера по знаниям и его способностей. Предложено этапы концептуализации, формализации и реализации рассматривать как единый нерасчленимый процесс, решая при этом задачу автоматического программирования базы знаний.

2) Исследованы методологические и разработаны теоретические основы метода ситуационного анализа и проектирования моделей произвольных ПрО для ЭСППР в части: выявления уровней концептуализации ПрО и возможных типов взаимодействия концептуальных структур единичных решений.

3) Разработана методика игрового проектирования на этапах идентификации и (концептуализации —> формализации —>реализации).

4) Разработаны сценарии идентификационных, концептуальных и ситуационно-деятельностных игр.

5) Разработаны программные средства реализации идентификационных игр «ЭкспИдент» и концептуальных игр — «Концепт».

6) Проведены конкретные игры на разработку ЭСППР для ПрО «Администрирование локальной вычислительной сети, Интернет-кафе», «Управление интеллектуальным домом», «Управление трудовой дисциплиной на предприятии», «Управление муниципальным образованием» и др. и на обучение концептуализации на тематике «Волшебные сказки». Сравнение результатов с традиционным неигровым способом проектирования показало, что при проведении игр повысилась скорость проектирования и качество моделей ПрО.

7) Дальнейшее развитие работы видится в расширении тематик и сценариев игр, возможностей средств программной поддержки, во внедрении игрового подхода к проектированию моделей ПрО на базе ситуационного центра.