Введение к работе
Актуальность темы. В связи с широкий проникновением ЭВМ во все- сферы человеческой деятельности и привлечениеи к ним большого числа пользователей проблема повышения интеллектуального уровня взаимодействия с ЭВМ при решении различных народно-хозяйственных задач выдвинулась на одно кз первых мест. Для ее решеЕня имеется немало подходов в области технологии программирования в искусственного интеллекта.
В ИЛИ Российской АН в рамках работ по технологии программирования большое развитие получило объектно-ориентированное программирование С 00ID. Имеющиеся в нем средства позволят1 отобрааать реальные сущности предметной области СПрО) в виде объектов, которые взаимодействуют друг с другой через сообщения. Тек .самым конечный пользователь получает возможность естестсаекньш образом работать с сущностями ПрО, как с объектами С классами объектов), используемыми в его профессиональной деятельности.
Вместе с тем иироко распространенная идеология экспертных систем (X) открыла путь к интеллектуализации знаний о ПрО посредством баз знаний СБЗ), которые предоставляют конечному пользователю знання в виде сведений и консультаций, необходимых при решении практических задач.
Гибкое сочетание укаэаннных достоинств ООП и БЗ, а также использование современнных средств отображения объектов ПрО в электронной форме позволили определить новый подход к постановке и решению задач обработки данных.
Цель работы и постановка задачи. Целью диссертационной работа является исследование и разработка обьеотно-ориектарован-ной ЭС, обеспечивающей постановку и решение задач обработки данных Сна примере отчетно-справочных задач в АСУ) в технологии, удобной для лиц, принимающих решения.
В соответствия с поставленной целью основными задачами диссертационной работы являются:
1). Анализ направленій интеплектуалнзацни языковых и
программных решений, а такте способов представления знании в БЗ пршеннтелыю х рассцатрнЕаецоыу классу задач для обеспечения вывода результатов их решения.
2). Разработка метода отображения объектов типа дохуыент АСУ в БЗ с цельп получения из зходкых докуыентов соответствуп-цшс выходных отчетных форы и спразок.
3). Исследование н разработка интеллектуальной обьехтно-оравнтирозанной SC на ПЭВМ, вісличасдей систему управлення накоплением н обЕовлешем фактов и правил БЗ, базу данных СБДЭ со средствами ведення документов данной ПрО в электронной форме и подсистему вывода рєиеннй отчетно-спразочных задач.
4). Разработка и програшная реализация инструментальных средств создания обьектно-орнектнрованной ЗС на ПЭВМ.
5). Рэалкэадзя задач обработки данных в среде обьектно-српеятярозаннсн SC.
Предмет исследования составляет принципы, методы и средства построения програігдого обеспечения, реализующего интеллекту альта интерсекс пользователя с стеганой прэдставлешш документов з злектроыЕсн видо и SC р&аащего типа.
Методика исс.тедовглля базируется на тесрзтическік ч прикладных результатах, дсст:п*нуткх отечественнии! и ззрубегпш-si учекшн з области иокусстгепкого интеллекта, технологии про-граісягоовашіл, ппаеперик знаний и прсграмшіого обеспечения, систем управления ЗД и 23, автоматизированных скстеи управленая и обработки данное.
Научк*:н результаты работы язя.тотся обобщением научгто-ярокз-водственной деятельности автора з период 1934-1983 тт. в рагясах работ, прор.одііі.ак з Институте кибернетики iirsini В. М. Глугаова АН , зо -?втсг'атлзацта складских задач в АСУ Ш, а так.мэ ЕсстелсвглниЯ ОСП, проведенных в Яястптуте проблей :>л-:глор:атикк Роас!;і:скс:1 АН з 198S-iQSl гг. "
H3.i"ZaS. ЇИ2Ш.иі.- - .цнссертзіігонної работе получены сле-ДГ-:;Л~ сстгсвгдю результат*;!:
псод::о^ізн зпесеб чнталлокт'гглпггцнн н р
-л -, - — -"- (* r-\ r->- -T * -#.*-! — -, г -T~i— .тл«- - ->т» Trt'-ffi т,л,,і.і j>r ФТГГЛ'І *T|'' УТЛ 'Т.і'СГТПТЧ
АСУ в электронной форме, удобной для получения из множества входных документов соответствующего подмножества выходных отчетных форм и справок; в отличие от существующее способов формирования отчетов и справок данный метод основан на правилах вывода, хранящихся в БЗ;
реализованы на ІВМ/РС в MS DOS инструментальные средства поддержки предложенного метода и создания обьектно-ориентирован-ноя ЭС, включающей средства представления фактов и правил о данной ПрО и интерфейс с подсистемой получения выходных форм;
разработана методика формирования типового набора фактов и правил для широкого круга задач обработки данных;
реализована прикладная БЗ с интеллектуальным интерфейсом для пользователя АСУ, позволяющим общаться с системой в профессиональной терминологии при постановке и решении задач отчетного и справочного типа.
Практическая ценность. Результаты диссертационной работы имеют практическую направленность, ценность которых состоит в том, что предложенный метод получения выходных форм из входных охватывает довольно широкий класс задач обработки данных и способствует сокращению сроков их разработки.
Программные средства созданной объектно-ориентированной ЭС апробированы на подмножестве документов, в состав которых входят отчетные и справочные выходные формы в задачах обработки данных подсистемы материально-технического обеспечения С КТО) АСУ. Данные средства могут использоваться для реализации подсистем КТО различного назначения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном семинаре стран СЭВ 'Технология программного обеспечения" Сг. Москва, 1989), Всесоюзном семинаре "Методы представления знаний к доказательное программирование" Сг. Алуита, 1990), X Всесоюзном саыинаре "Параллельное программирование к высокопроизводительные системы: методы представления знаний в инфорыш^вжйах технологиях" Сг. Уфа, 1990), Всесоюзной конференция "Математическое и иымитационное моделирование в системах проектирования и управления С г. Чернигов, 1930), Научно-практической конференции
с неЕДукародяшх участием "Прсблеш ігафор^гатпкн" Сг. Самара, 1991).
Публикации. По теме диссертации тлеется 6 публикаций.
Объем к структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, спкска литературы и приложений. Объем основной части вклвчает 103 стр. машинописного текста, 21 рисунок к 8 таблиц.
Во введеній рассмотрены основные задачи диссертационной работы, обоснована актуальность направления исследования я определена методика исследования. Дана характеристика полученных научных результатов, показана их новизна к практическая значимость. Приведено краткое содержание работа по отдельным главам.
3 первое главе диссертационной работы развивается идея кн-теллептуализацнл знаний о процессе реиення задач обработки данных в АСУ, СОД к др. яа основе БЗ. Рассмотрены средства :: кетоды БЗ к проведен анализ ЗС, как способсз представления знаний для определения всзнозгости ік применения з качестве инструментов, спсссбстзуггих яктгллектуализацки задач АСУ и созереенствоваянв пользовательского :ш?ерз;:сг.
Анализ средств создания ЗС проводился по трец направлениям:
ІЗ кнструиентальнке системы создания SC С Rule-faster, Inter-Expert и др.3;
3 ЗС - оболочки сбцего назначения (First Class, Level 15, Mycin и др.З;
3) языки программирования С Пролог, Лисп, Турбо Паскаль 5.5 и др.3.
Сделал еывод о том, что при применит! 1), 2) средств получается ЭС с ограничение».; зоэиогностк подключения новых программках средств, прабллгамцих лексику ПрО к пользователю. Отмечается, что наиболее гибкий способом создания ЗС является языки программирования, с поютщью которых могло не только описать компонен-
ты ЭС, но и обеспечить связь с другими прикладными подсястемаїш.
Описаны особенности ПрО АСУ, в частности подсистемы КТО, в в разработке которой автор принииала-участие [1] с использованием средств СУБД. Проведено обоснование эффективности использования обьектно-ориентированного подхода и БЗ для представления информационных сущностей ПрО в виде объектов, понятных пользователи, и правил вывода процесса решения наиболее массовых отчетно-справочных задач подсистемы НТО. Отмечается, что использование БЗ и ООП способствует интеллектуализации задач обработки данных и сокращение объема программирования С S3.
Анализ способов формализации различных ПрО для их отображения в ЭВМ показал, что существует:"
1) слабо формализованные ПрО, для которых нет общеупотре-
бимых алгоритмов (медицина, химия, геология, биология и др.);
2) хорошо формализованные ПрО Сзадачи моделирования,
оптимизации, математической физики и др.);
3) ПрО, в которых сочетается наличие хорошо разработанных
алгоритмов с накопленными знаниями экспертов (экология, проекти
рование технических систем, строительство крупно-масштабных
энергетических систем и др.).
Рассматриваемая ПрО отнесена к третьему классу. Для ее реализации использувтея: аппарат ЭС, позволивший проструктуриро-вать объекты и их свойства, объединить их в группы, используя механизм наследования объектов и методов других групп; обьектно-ориентированые средства задания и ведения документов в форме электронных журналов СЭЮ 3,4].
Сделана формальная постановка задач исследования и разработки объектно-ориентированной ЭС решения задач обработки данных с помощь» БЗ , подсистемы .ведения объектов-документов в виде ЭЖ с учетом целостности данных и системы взаимодействия пользователя через меню.
Вторая глава посвящена описанні) объектно-ориентированной системы вывода отчетов и справок из входных документов на основе БЗ и ЭЖ для подсистемы КТО [5,6]. Для этой подсистемы выделено
множество D = ( Dj, Dg ), в котором Dj = { in.doc ) - множество
входных, a D? = ( out.doc } - многество выходных документов.
Атрибуты D, и их значения используится при получении соответствующих справок или отчетных документов ИЗ Dg.
Факты об материальных средствах (КС), структурах документов, а также дерево вывода отчетных документов разме*ены в БЗ.
Для осуществления вывода отчетов и справок из входных и дополнительно вводимых данных предложен метод представления документов Dj , Dg в электронной форме. Метод обеспечивает последовательный вывод (получение} выходных отчетов и справок из входных посредством наследования значений атрибутов. Его основу составляет:
обьектно-ариентированное представление документов из D^ и D2 в ЭЖ и БД;
представление в БЗ дерева вывода типовых форм отчетов и справок набором продукционных правил;
формализованный процесс постановки задач данного класса.
Для выполнения процесса решения задач уточнено понятие задачи и определено ыногество операций для ее постановки и ресе-ння Е5,6).
Под задачей понимается совокупность различных ткпоз входных документов, на основании которых обеспечивается процесс Р получения выходных отчетов и справок.
Исходя из этого определения, модель задачи представляется следующий образом:
где <. in. doc.} и < out. doc.} - икогэстза D^ и Dg .
В общем случае процесс Р постановки задачи из рассматриваемо класса сведен к трем основным операциям:
1) описание входных документов множества (in. doc>;
23 описание выходных документов и справок многества (out.doc. >;
3) задание процесса Р получения документов (out.doc. > из (in. doc. > продукционшш правилами.
Так как на практике процессы поступления указанных документов не связаны, то из-за отсутствия данных не всегда удается получить из входных документов выходные отчетные формы. В связи с этим предлагается дополн.тгь входные документы временными (промежуточными) данными, вводимыми с экрана в ЭЖ.
Если с их введением процесс Р не достигнут, то вводится следующий уровень промежуточных данных, из которых возмогло получение выходных данных. В результате получается, некоторая последовательность промежуточных данных, ведущих к выходным фермам. tТо 'есть, процесс Р распадается на множество подпроцессов Р ,.:.,Р , а модель С13 принимает вид:
D, —> Р, —> Z,
\ —> р —> гг
Z > Р > D., С23
где Z ...Z - уровни промежуточных данных.
Процесс С 23 выполняется снизу-вверх. При каздом вводе промежуточных данных осущестляется запись в ЭЖ и анализ возмоапостк соответствуюцего выходного документа.
Исходные н промежуточные данные задач запоминается в таблицах Э&, колонки которых наследует значения соответсвуюащх атрибутов входных документов.
Используя понятие ЭК, модель задачи С23 ыокно привести к виду:
< in. doc. —> Pt > ЭЖ У
<. ЭЖ —> Р —> out.doc.3 СЗЗ
Таким образом, модель задачи приводится к множеству процессов записи в ЭЖ для получения требуемого выходного документа.
Для работы с объектами ЭЖ разработан набор операция Смето-дозЗ, с помощью которых осуществляется:
ввод знаний об объекте С его назначении, структуре, ключевых и неключевых полях, частоте использования и заполнения и др.3;
ввод экземпляров значении атрибутов объекта;
просмотр и корректировка знаний в данных объектов;
расчет некоторых значений атрибутов;
вызод результатов реиения задач и таблиц значений.
Знания об объектах образуют факты БЗ. Экземпляры значений элементов мкохества Dp, получаемые в соответствии с описанным выше методом, запоминаются в ЭЕ БД. Процесс применения фактов БЗ и данных ЭЗ представляется правилами вывода выходных объектов.
При изменений состава шокеств D^n ^ меняются факты БЗ, а
9 ' процесс работа с ЭЖ и механизм вывода остается без изменения.
1 тсетьзЯ глава опискваатся принципы реализации н архитектура обьехтко-ориептцрованяся С 00) 2С, ее функция, состав, структура я алгоритмы йугзшяогшреваняя.
Проведено обоснование выбора продукционного метода представления знаний э БЗ 00SC для рассматриваемся ПрО. Это презде всего объясняется тем, что для рассі'атриЕаеной ПрО характерным является принятие решений специалистами на основе правая "ситуация-действие", а такзв простата построения (расширения) и реализации БЗ за счет ее незазпетгаостп от инструментальных средств поддержи ООЗС.
Сформулированы следуюпше требования к ООЗС:
13 обеспечение возкозноста использования накопленного опыта з данной ПрО для отображения знания в базе іеактоз и правил БЗ;
2) возможность в доступной для ' пользователя форме
определять Сдобавлять) повиє документы ПрО я наборы записей
зпачепля посредство:.! 3Z;
-
возможность информационного обслугизаїшя БЗ п ЭЖ;
-
интерактивное упразлэнпе логически! выводом выходных отчетных форм и справок пз входных;
-
обеспечение диалогового взаимодействия разных уровней пользователей с ООЗС на языке, близком к профессиональнее.
Даяние требования учитывались при разработке йушшпй, принципов к методов реализация ООЗС. На рис. приведена структура н схеиа взаимодействия компонентов системы ООЭС.
Разработку БЗ выполняет эксперт ПрО, используя методику выделения типового набора объектов з группа и классы и механизмы наследования ООП. Объекты представлены в БЗ в виде фактов, разделенных на два класса. В первом из них размещены группы НС, во второй - информация о типах решаемых задач.
Каздая группа НС включает элементы, отлячавцнеся друг от друга различными своастзами и характеристиками. Экземпляр пз груїпш КС образует атомарный факт БЗ.
Второй класс фактов представляет собой описание форм документов задач, решаемых в системе.
Правила вывода решения конкретной задачи из класса представляется продукцяеннима правилами т:гаа ЕСЛИ. .. ТО. Посла ЕСЛІІ указывается условие реаенкя задача, а'после ТО указывается дгй-
База правил
Подсистема поддержки ЭЖ
Ведение документов в ЭЖ
База данных
Экземп ляры записей документов
Набор описаний объектов
in. doc
out.doc
Информация о БЗ
Диалоговый процессор
Взаимодействие при решении задач
Взаимодействие при создании БЗ, БД
Рис. Структура к схема взаимодействия компонентов ООЭС
ствия, обеспечивающие выбор фактов иэ группы класса для вывода соответствующего документа из множества Dg.
База данных ЭЖ представлена данными для документов иэ множеств D^ и Dg.
Основной единицей ЭЖ является объект-документ из множеств
Dj или Dg . Каждый объект имеет статическую и динамическую части. Статическая часть - это заголовок документа в БЗ, значения атрибутов которого определяют его конкретное состояние. Динамическая часть - это экземпляры записей объекта.
Объект становится активным при изменении его состояний под воздействием сообщений, посылаемых в момент ввода с экрана исходных или промежуточных данных. Эти действия могут повлечь за собой посылку сообщении другим объектам D< для извлечения из них имещихся исходных данных в ЭЖ БД.
В ООЭС реализованы следухщие основные функции:
ведение знаний в БЗ;
ведение в электронной форме элементов множеств Dj и D2 в ЭЖ и БД;
предоставление информации об МС, структурах объектов и правилах БЗ;
интерпретация сообщений, вводимых пользователем для решения задач обработки данных;
логический вывод документов из Dg с помощью БЗ и ЭЖ.
Ядром экспертной системы является интерпретатор правил продукций и блока логического вывода, поддергивающего механизм прямого и обратного вывода.
Важнейшим элементом ООЭС является БЗ и средства ее ведения. Основное назначяие этих правил состоит в динамическом пополнении и изменении фактов и правил БЗ.
Подсистема поддержи БЗ обеспечивает пользователя удобным механизмом работы с БЗ, предоставляя ему сведения о иыейзугася з БЗ группах правил и фактов, а также о возможности модификация БЗ.
Подсистема поддеркси ЭЖ включает компонент ведения структур объектов документоз множества D< и D, , а такге исходных и промежуточных данных, размещаемых в БД. Компонент поддержки
гызода выходных отчетов к оправок Cout.doc) реализует штод форьжрсвания выходных документов из входных. Он осудаствляет обрааенке к блоку логического вывода с целью выполнения соответствупдей группы правил БЗ.
Залоговый процессор предназначен для обеспечения интеллектуального взаиыодействкя с 003С двух категорий пользователей,при-нєняецих предоставяяекув соврекекиуп оконкув тано-техпояогкз. Пользователи различается по видац использования знаний, представленных в БЗ системы.
Основной алгоритм работы системы 003С при решении задач отчетного и справочного типов заюгочается в следувщец.
При вводе запроса от пользователя о получении Сформировании) некоторого документа из шюгества Dg вначале определяется конкретный тип документа из зтого иногества, а затем анализируются данные ЗХ и БЗ для его окончательного формирования. Если известен тип выходного документа к клеится необходимые данные в Эд, то выбирается соответствувцее правило из БЗ, которое с использованием ЗЛІ управляет заполнением необходимых значений атрибутов у формируемого выходного документа.
Если данных нэ хватает, сапрашивавтея прскегуточкые данные з 211, необходимые для зывода отчетного документа.
Разработанные обдио алгоритмы коьшонектов системы 003С получили практическое воплощение на персональных ЭВМ.
Четвертая глава посвящена вопросам реализации объектно-ориентированной ЗС на ІБИ PC/AT в MS DOS.
Приведены алгоритмы и особенности реализации основных прикладных программных компонентов данной систегш. В качества языка реализации взят объектно-ориентированный Турбо Паскаль 5.5, в котором используется средства описания объектов Склассов объектов) к представления знаний в БЗ. Глазные функщш каддого компонента описаны процедурами и функциями. Подсистема ведения Э7л реализована средствами систеш FOXPRO.
Управление компонентами системы выполняет ионктор дналового процессора, реализующий взаимодействие пользователя с енстеїюй.
С ООЗС работает две категории пользователей. Первый кз пих является эксперт, он занимается созданной БЗ и ЭЖ. Второй - его конечный пользователь, который выполняет решение задач отчетного и справочного типов.-.
Взаимодействие пользователей с системой ООЭС осуществляется с помощью двухуровневого меню, задаваемого в виде окон на экране дисплея. Использование окон является удобной и общепризнанной формой общения с ПЭВМ. Монитор, в отличие от существующих, рассчитан на использование окон на верхнем уровне взаимодействия и на уровне прикладных программных компонентов системы.
На вернем уровне меню содержит пункты, соответствующие основным функциям системы. Это меню является главным и имеет вид:
1.
г. з.
4.
5. 6.
Объектно-ориентированная экспертная система
Формирование базы фактов Формирование базы правил Описание объектов ПрО МТО Ведение объектов в ЭЖ Вывод решения задач Завершение работы
Введите номер пункта меню
На втором уровне находятся пункты меню, которые детализируют пункт верхнего уровня, и реализуются программами и функциями соответствующего программного компонента системы. Так, для пункта 4 меню верхнего уровня подменю имеет следусщий вид:
В процессе выполнения подпунхтоз пеню па. экран дисплея выводится информация, необходимая пользователе .для отсяэггпзання выполняемых действий, а такхе для принятая реиенпЗ в дальнейшем.
В работе проведен сравнительный анализ предложенного иетода реализации решения задач обработки данных с традиционными методами программирования каждой задачи из рассиатривазиого класса в виде прикладной программы, для которой данные покэщены в БД.
Сделан вывод о значительной сокрацэюш объема работ, поскольку вместо прикладных програш создана подсистеца вывода выходных документов. При этом обеспечено постоянное ПОПОЛЕЄНЕЄ новых правил в БЗ и видов документов в ЭЖ.
В заключении сйорыулироваиы основные результаты.
В приложении 1 приведены протоколы примеров обработки и решения отдельных задач с использованием системы ООЗС.
Приложение 2 содерзят тексты основных програш спстеш, факты и правила БЗ для реализованных справок а отчетов }Ш>.
