|
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
ТЕЛЕНИК СЕРГІЙ ФЕДОРОВИЧ
УДК 681.3.016
КОНЦЕПЦІЯ, МОДЕЛІ, АЛГОРИТМИ ТА ЗАСОБИ АДАПТИВНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ СТВОРЕННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-КЕРУЮЧИХ СИСТЕМ
05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні
інформаційні технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ –2000
Дисертацiєю є рукопис
Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”)
Науковий консультант: доктор технiчних наук, професор Павлов Олександр Анатолійович, НТУУ “КПІ”, декан факультету інформатики та обчислювальної техніки, завідуючий кафедрою автоматизованих систем обробки інформації та управління, Заслужений діяч науки і техніки України
Офiцiйнi опоненти: академік НАН України, доктор технічних наук, професор Скуріхін Володимир Ілліч, Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України і Міністерства освіти і науки України, заступник директора;
доктор технiчних наук, професор Рубан Владислав Якович, Український мовно-інформаційний фонд НАН України, завідуючий відділом;
доктор технiчних наук, професор Волков Олександр Андрійович, Київський міжнародний університет цивільної авіації Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою технічної кібернетики.
Провiдна установа: Харківський державний технічний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, кафедра програмного забезпечення ЕОМ, м.Харків
Захист вiдбудеться “25” травня 2000 р. о 14 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 26.002.03 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056 м.Київ, проспект Перемоги, 37
З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці НТУУ “КПІ”
Автореферат розісланий “24” квітня 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук Коваленко І.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Розвиток інформаційних технологій, формування в Україні ринку послуг з розробки та супроводження інформаційно-керуючих систем (ІКС), зміни в економічній політиці призвели до необхідності масової заміни програмного забезпечення (ПЗ). Постачальники засобів керування пропонують готові апаратно-програмні комплекси: комп′ютери, телекомунікація, операційні системи, СУБД, ПЗ проміжного рівня та адміністрування, засоби керування ресурсами підприємств і інструментальні засоби підтримки. Вони дозволяють скоротити термін та витрати на створення ІКС, але вимагають прийняття типових бізнес-процесів, до чого українські підприємства не готові. Більш прийнятною є стратегія характерна для ринку системної інтеграції, де умовою успішної діяльності інтегратора є готовність надати замовнику технологію, здатну до швидкої доробки програм, певне ПЗ інтеграції.
Склалися сприятливі умови для створення нових промислових технологій, які забезпечують швидку розробку, впровадження, експлуатацію ІКС та їх розвиток з мінімальними витратами. На роль таких технологій претендують гнучкі мобільні технології створення ІКС, які побудовані на CASE-технологіях і заміні традиційного розмежування етапів проектування й функціонування ІКС і, відповідно, систем проектування й керування єдиною системою, що забезпечує весь життєвий цикл (ЖЦ) ІКС.
Значним внеском у розв′язання проблеми автоматизації проектування та програмування, створення гнучких мобільних технологій є праці І.В.Сергієнка, О.А.Летичевського, К.Л.Ющенко, Ю.В.Капітонової, П.І.Андона, Г.О.Цейтліна, К.М.Лаврищевої та інших вчених. Сформувалося коло задач, ефективне розв′язання яких дозволило б суттєво поліпшити існуючі варіанти реалізації зазначених технологій, методики виконання робіт. Загальне спрямування нових досліджень націлене на створення гнучких комплексних технологій, здатних адаптуватися до змін середовища, шляхом розвитку протидіяти старінню, забезпечуючи підтримку всіх етапів ЖЦ ІКС з залученням персоналу, забезпеченого відповідними інструментальними засобами.
Тому актуальною є проблема розробки адаптивної технології створення ІКС, яка базується на досягненнях теорії та практики системного аналізу, теорії адаптивних систем, що знайшли розвиток в працях В.М.Глушкова, його послідовників, насамперед В.І.Скуріхіна, М.З.Згуровського, В.І.Кунцевича, сучасних інформаційних технологіях. Перехід від жорстких схем до механізмів відбору комбінацій в структурах можливого, що працюють на основі дескриптивних зображень застосувань, підкреслює загальну тенденцію інтелектуалізації, доцільність застосування в адаптивних технологіях інструментарію інженерії знань, засобів штучного інтелекту (ШІ).
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи тісно пов'язана з державними науковими програмами 6.1 "Сучасні інформаційні технології в створенні інтегрованих виробничих комплексів” на 1997-1998 р.р., проект “Створення в архітектурі WWW-технологій типових компонентів ІКС інтегрованих в середовище розподілених баз даних для підприємств паливно-енергетичного комплексу”, № 6.1/5244, 1997-1999, та 05.08 “Системи зв′язку”, проект “Розробка системи розподілених баз метаданих з використанням технології телекомунікаційного доступу до їх ресурсів (Типові проектні рішення)”, №06.09.01/204-95, 1995-1996 р.р. Тематика роботи включена до науково-технічних планів НТУУ “КПІ” та НДІ системних технологій Міністерства освіти і науки України при НТУУ “КПІ”. Робота виконувалась в рамках держбюджетних і договірних науково-дослідних (НДР) та дослідно-конструкторських (ДКР) робіт: НДР “Створення інтегрованого комплексу ПЗ та розробка керівних матеріалів по впровадженню Internet в освітніх закладах України”, №0196 U006723, 1995-1996; НДР “Розробка технології проблемно-орієнтованої обробки запитів науково-технічного призначення в SQL-середовищі з використанням технологій Internet”, №0196U006718, 1996-1998; ДКР “Розробка стратегії інтеграції та керування комп′ютерними інформаційними ресурсами закладів науки та вузів України на базі телекомунікаційних технологій”, №0198U001303, 1996-1998; ДКР “Інтегрована інформаційна система для автоматизації управління Підприємством придніпровських магістральних нафтопроводів”, договір №6/98 від 01.07.98; ДКР “Впровадження програмно-технічних засобів та розробка інтегрованих багатокористувацьких застосувань в SQL-середовищі на базі корпоративної мережі Підприємства придніпровських магістральних нафтопроводів”, договір №70 від 14.05.96, та інших.
Мета і задачі дослідження. Головна мета роботи полягає в тому, щоб на основі сучасних інформаційних технологій, засобів формалізації процесів функціонування та проектування ІКС розробити та дослідити концепцію, моделі, алгоритми та засоби адаптивної технології створення ІКС для організаційно-технічних об′єктів керування (ОК), підхід до її реалізації. Для досягнення мети в роботі вирішено такі проблеми:
- розробка концепції адптивної технології створення ІКС для класу ОК;
- комплексна конструктивна формалізація основних, допоміжних та організаційних процесів ЖЦ ІКС, що підлягають комп′ютеризації;
- розробка алгоритмів розв′язання класів прикладних проблем, проблем проектування, підтримки функціонування та розвитку ІКС;
- розробка засобів реалізації комплексу формальних моделей представлення ІКС, насамперед концептуального, логічного і фізичного проектування;
- ефективна та надійна комунікація користувача з системою, насамперед створення квазі природно-мовного інтерфейсу, інтерфейсів спілкування у термінах бізнес-логіки застосування та документального обслуговування;
- інтеграція проблемного та подійного підхідів до функціонування ІКС, організація взаємодії її компонентів в умовах реального середовища;
- розробка об′єктно-орієнтованої СУБД для роботи зі складно структурованими об′єктами, яка дозволяє зображувати знання про застосування, проектні заготовки тощо, забезпечує динамічне визначення нових типів об′єктів;
- розробка та реалізація концепції інструментальних засобів адаптивної технології створення інтелектуальних ІКС для організаційно-технічних ОК.
Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає у розв′язанні важливої науково-технічної проблеми розробки інтегрованих засобів автоматизації розробки, впровадження, експлуатації та розвитку ІКС для організаційно-технічних ОК. Запропонована, досліджена та реалізована концепція адаптивної технології створення ІКС, яка охоплює всі процеси ЖЦ ІКС, узагальнює можливості гнучких та мобільних технологій, доповнює їх комплексом моделей формалізації процесів, що підлягають комп′ютеризації, набором засобів інтелектуального аналізу даних (ІАД), адаптації та інтеграції різноманітних механізмів розробки, функціонування та розвитку ІКС, що дозволяє інтегрувати різні механізми виведення, побудови рішень та алгоритмів конструювання рішень, алгоритмічні моделі тощо, значно полегшує, здешевлює та прискорює створення ІКС для широкого класу ОК.
Запропанована комплексна компонентна модель формалізації процесів розробки, розвитку та функціонування ІКС, що підлягають комп′ютеризації, модель інформаційних процесів в термінах документального обслуговування, формалізми представлення процесів функціонування системи та обчислювальних процесів, планування дій та організації взаємодії компонентів в умовах реального середовища, повні алгоритми одержання відповідей та виведення схем розв′язання проблем на цих моделях, що дозволяє інтегрувати проблемний підхід з подійним керуванням в багатоагентних середовищах, забезпечити багаторівневість представлень ІКС, інтеграцію та взаємозв′язок різних процесів, динамічне перевизначення типів, застосування різноманітних механізмів комунікації, обробки інформації та прийняття рішень.
Розроблені концепція, структура, принципи та моделі функціонування та реалізації об′єктно-орієнтованої СУБД для опрацювання складно структурованих об′єктів, що дозволяє представляти знання про застосування, проектні заготовки тощо з можливістю динамічного перевизначення типів.
Розроблені підхід до концептуального моделювання, концептуальна модель (КМ) обраного класу ОК, засоби її підтримки, модифікації, відображення об′єктно-орієнтованою мовою подання бізнес-логіки застосування, новизна яких полягає в представленні особливостей застосування в термінах областей проявів, визначень та описів, пояснень та синтезу, лінгвістичних понять, що забезпечує інтеграцію розв′язання проблем розробки, підтримки, розвитку ІКС та комунікації в єдиній системі.
Запропоновано комплекс мов спілкування з системою, насамперед чисту об′єктно-орієнтовану мову структурного програмування, мови документального обслуговування, які дозволяють визначати бізнес-процеси та способи їх реалізації в термінах цілей, рішень, проблем, документів тощо.
Розроблена концепція квазі природно-мовного інтерфейсу, побудована на формальній структурі розуміння текстів природної мови, граматиці лінеаризації структур бази знань, алгоритмі розбору та комплексі моделей його підтримки, які враховують семантичну та прагматичну інформацію бази знань, контекст, знання синтаксису.
Розроблено комплекс оригінальних моделей і алгоритмів логічного та фізичного проектування, організації функціонування ІКС, що дозволяє підвищити ефективність інструментальних засобів адаптивної технології створення інтелектуальних ІКС.
Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що у вигляді завершеної технології розроблені та реалізовані моделі, алгоритми та засоби, які дозволяють проектувати, впроваджувати, експлуатувати та розвивати ІКС для класу ОК.
Результати роботи використані при створенні Інтегрованої інформаційної системи ДАО Придніпровські магістральні нафтопроводи, автоматизованої системи керування “Експрес-УЗ”, а також у проектах: громадського об′єднання користувачів комп′ютерних технологій для інвалідів “Вікно у світ”, 1996-1997; модернізації Державної податкової служби України за грантом №JPN 29546-UA Міжнародного банку реконструкції та розвитку, 1999-2000; створення єдиної інформаційної мережі Міністерства праці та соціальної політики України, 1998 та інших. Основні положення роботи можна застосовувати для: розробки та дослідження адаптивних технологій створення ІКС; практичного застосування зазначених технологій з метою розробки, впровадження, експлуатації та розвитку ІКС організаційно-технічних ОК; створення та дослідження нових засобів та методів ШІ; створення та підтримки об′єктно-орієнтованих мов, баз даних та знань на основі розробленої об′єктно-орієнтованої СУБД.
Особистий внесок здобувача. Наукові положення, висновки, рекомендації, що викладені в дисертації та виносяться на захист, розроблені особисто здобувачем. У працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок автора становить:
- у [1,3,30-31,36-37] запропонована концепція документального обслуговування функціональних користувачів адаптивних систем обробки інформації, в плані реалізації якої розроблено алгебру та числення документів, засоби проектування прикладних програм обробки даних за специфікаціями, виконано дослідження їх властивостей, аналіз механізмів виведення, визначені мови документального обслуговування;
- у [6,39] виконано аналіз проблем створення квазі природно-мовного інтерфейсу адаптивної технології, розроблено концепцію його реалізації, граматику лінеаризації конструкцій представлень знань та алгоритм розбору текстів природної мови;
- у [40-41] обгрунтовано забезпечення керованості виведення, структурованості, комплексності, багаторівневості представлень знань шляхом застосування металогік;
- у [10,33] здійснено аналіз поточного стану автоматизації керування та ШІ, прогноз напрямків їх розвитку, запропонована концепція адаптивної технології, застосування засобів ІАД, узагальнення та класифікації, алгоритм динамічної класифікації;
- у [23] розроблені модель та алгоритми розподілу запланованих ієрархічно пов′язаних робіт між агентами в адаптивній технології (без формування коаліцій);
- у [12,16,19-20,28] виконані постановки проблем, здійснене наукове керівництво, розроблені концепція застосування, структура, принципи функціонування, підхід до реалізації інструментальної системи адаптивної технології, її сервісних та технологічних підсистем, об′єктно-орієнтованої СУБД, структура зберігання складно структурованих об′єктів, підхід до представлення в пам′яті довільних об′єктів на основі системи базових об′єктів та структурних вказівників, концепція обробки електронних документів та керування електронним документообігом в адаптивній технології;
- у [34-35] на базі фреймового (об′єктного) підходу розроблено та реалізовано мовні засоби представлення загальних знань та знань про конкретне застосування;
- у [4,26,27,32], узагальнивши досвід розробки ПЗ за специфікаціями, застосування мов документального обслуговування, запропоновавши декомпозиційну схему оцінки ПЗ, структуру, принципи створення та функціонування на базі інструментальних засобів адаптивних технологій систем керування виробничо-економічними ОК та рухом автотранспортних засобів, автори мали однаковий творчий доробок.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації розглядалися та обговорювалися на засіданнях кафедри автоматизованих систем управління та обробки інформації НТУУ “КПІ”. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на семінарі “Автоматизовані інформаційні системи та мережі обчислювальних центрів” Наукової Ради НАН України з проблеми “Кібернетика”, 1982-1989; Республиканском семинаре “Проблемы создания и развития общесистемных средств АСУ”, Кишинев, 1984; Республиканской научно-технической конференции “Применение ЭВМ в учебном процессе высших и средних специальных учебных заведений”, Душанбе, 1987; Республиканской научно-технической конференции “Проблемы развития АСУ и информационных услуг в новых условиях хозяйствования”, Душанбе, 1989; конференції “Проблеми українізації комп’ютерів“, Львів, 1993; Міжнародній науково-практичній конференції УкрСофт-94, Львів, 1994; Семінарі “Математичні машини і системи” Наукової Ради НАН України з проблеми “Кібернетика”, 1994-1995; I-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-94“, Київ, 1994; Конференції з проблем розвитку міст “Boss-98“, Кельце, Польща, 1998; V-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-98”, Київ, 1998; Конференції з впровадження нових інформаційних технологій в освіту “НІТО-98“, Одеса, 1998; Семінарі “Математичні машини і системи” Інституту математичних машин і систем НАН України, 1999; V-й Международной научно-методической конференции МГЗИПП, Москва, 1999; VI Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-99”, Харків, 1999; Науково-практичних конференціях “Проблеми створення нових машин та технологій”, Кременчук, 1999 та 2000; семінарі “Проблеми програмування” Інституту програмних систем НАН України, Київ, 2000; V-й Ежегодной Международной конференции “Новые компьютерные технологии в промышленности, энергетике, образовании”, Алушта, 1999; Семінарі факультету комп’ютерних наук Міжнародного Соломонового університету, Київ, 2000; Международной конференции “Континуальные логико-алгебраические и нейросетевые методы в науке, технике и экономике”, Ульяновск, Россия; Семінарі кафедри програмного забезпечення ЕОМ ХДТУРЕ, Харків, 2000.
Публікації. За темою дисертації опублікована 41 наукова праця: 1 монографія у співавторстві; 26 статтей в наукових журналах та збірниках наукових праць; 2 праці конференцій; 3 препринти; 1 депонована стаття; 8 тез доповідей конференцій.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 345 найменувань та 6 додатків. Містить 17 рисунків, 5 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 390 сторінок, включаючи 300 сторінок основного тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи, вміщено перелік проблем та питань, що розглянуті в дисертації, наведено характеристику отриманих теоретичних та практичних результатів.
У першому розділі виконано аналіз організаційно-технічних ОК, обгрунтовано необхідність застосування сучасних інформаційних технологій, засобів ШІ для керування ними. Встановлено, що адаптивні технології створення ІКС, структура яких наведена на рисунку, є формою інтеграції зазначених інформаційних технологій в процеси керування та проектування, природним розвитком комп′ютеризації керування й проектування. Отримані результати дозволили сформулювати вимоги до адаптивної технології розробки, впровадження, експлуатації і розвитку ІКС для ОК обраного класу, її методичних, інструментальних і інших засобів, що визначає відповідну постановка задачі досліджень, пов′язаних зі створенням технології. Для цього проаналізовано стан розвитку комп′ютеризації керування й проектування, зроблено критичний огляд концепцій, систем, засобів та методів ШІ, що вже знайшли широке застосування в цій сфері діяльності, або мають широкі перспективи інтегруватися в неї.
У другому розділі запропонована цілісна концепція адаптивної технології створення ІКС, покладена в основу реалізації адаптивної технології SmartPlus. Створення ІКС розглядається як процес визначення і реалізації мережі бізнес-процесів і зв′язків між ними та управління цією мережею і мережею фізичних та технологічних процесів. В роботі наводиться класифікація бізнес-процесів та процесів управління ними для організаційно-технічних ОК, аналіз їх важливих класів. Це дозволяє структурувати всі етапи ЖЦ ІКС і автоматизувати їх. Організаційними одиницями розробки та розвитку ІКС виступають: 1) засоби підтримки бізнес-процесів; 2) інтегровані схеми реалізації процесів управління бізнес-процесами і фізичними та технологічними процесами. Автоматизація всіх етапів ЖЦ ІКС вимагає формалізації всіх зазначених процесів. Формальні засоби відповідно поділяються на дві групи, перша з яких орієнтується на традиційні засоби розробки окремих модулів (методів, функцій), друга враховує аспекти інтеграції процесів, зв′язок з реальним станом ОК, структурування бізнес-процесів тощо. В основу формальних засобів другої групи і відповідно структури та принципів функціонування ІКС покладена традиційна схема керування із зворотнім зв′язком, модифікована з тим, щоб врахувати можливість побудувати роботу СК за принципом вибору поведінки та відобразити в її структурі компоненти, що забезпечують реалізацію принципу самоорганізації. Розглядається система <M,S>, де M – модель, що реалізується СК та визначає поведінку ОК в певному середовищі, а S – навчаюча система. Структурне та функціональне різноманіття ОК та середовища визначає складний комплекс вимог до моделі M, яка представлена узагальненим автоматом вигляду <Q,L,P,R>, де Q – множина станів ОК та середовища, L,P,R - логіко-алгебраїчні моделі запитів, відповідей, переходів. Система S, основою якої є технологія ІАД та механізми адаптації, призначена для збирання та аналізу інформації про функціонування моделі M, модифікації її компонентів Q,L,P,R. Множина Q визначається засобами представлення знань, що дозволяє об′єднати всі компоненти моделі M, узагальнити в єдиній системі елементи інформаційної системи, розв′язувача проблем та регулятора станів, забезпечити взаємодію з користувачем, підключити до розв′язання проблем алгоритми, механізми виведення, конструювання рішень тощо. За інтегруючу концепцію обрано логічний підхід, що пояснюється зручністю логік для управління бізнес-процесами, пристосованістю до розвитку та адаптації, розширюваністю за рахунок засобів інших напрямків ШІ при збереженні можливості їх координації та пояснення в термінах логічного підходу.
Моделюється поведінка власне ОК в середовищі. Пара <розв′язувач, середовище>, де розв′язувач - алгоритм (програма, алгебраїчна система, …) як специфікація ОК, а середовище - структури даних (в загальному випадку) та доступу до них (оператори й предикати), відбиває стан вивченості ОК, аспектів його поведінки. Дані й предикати відображають стан середовища, а алгоритмічна складова визначає адекватну реакцію ОК. Припускається наявність в ОК та середовищі чинників де |
