Выбор формальной модели

Этап концептуального проектирования задачи имеет своей целью формирование концептуальной модели, которая должна отображать обобщенную точку зрения пользователей на предметную область и на идеологию решения задачи. Концептуализация по существу означает поиск наиболее общих понятий для представления знаний, поэтому концептуальную модель можно рассматривать как обобщенную семантическую структуру предметной области, выраженную в терминах выбранного формального аппарата. В соответствии с этим концептуальная модель должна удовлетворять следующим требованиям:

1) высокие семантические возможности описания предметной области;

2) возможность манипулирования элементами концептуальной модели на основе используемого формального аппарата;

3) конструктивность модели в части ориентации на определенную идеологию решения задачи;

4) понятность как для проектировщиков задачи, так и для пользователей, работающих на АРМ-У;

5) отображаемость в типовые программно-аппаратные средства АРМ.

Отсюда следует, что концептуальная модель должна быть увязана с формальным аппаратом поиска решения задачи. При повышенных требованиях к семантической стороне концептуальной модели предпочтение следует отдать семантическим сетям и фрейм - представлениям знаний, на основе которых может быть эффективно автоматизирован процесс формирования модели предметной области. При ориентации на конструктивные методы поиска решения большую значимость приобретают логическая и алгоритмическая модели представления. Идеология автоматизированного решения задачи в значительной степени определяется возможностями ее формализации.

Для хорошо формализуемых задач существуют математические модели их решения либо на уровне задачи в целом, либо на уровне ее составляющих. Проектирование задачи означает ее постановку, формализацию, алгоритмизацию и программирование. В автоматизированных системах для многих функциональных задач управления имеются частные математические модели, соответствующие алгоритмическое и программное обеспечения. В условиях новой информационной технологии для таких задач исходное описание желательно проводить в терминах формальной модели, что позволяет совместить модель предметной области и модель решения задачи, формируя уже на стадии предпроектного анализа формальную постановку. Если для задачи в целом математическая модель неизвестна, но существует модель решения для отдельных ее составляющих, то процесс поиска решений осуществляется путем сведения исходной задачи к подзадачам. При этом могут быть использованы типовые пакеты прикладных программ в процессе автоматизированного проектирования задачи.

В классе плохо формализуемых задач могут быть выделены задачи, сводимые к элементарным, имеющим решения. Эти решения, а также соответствующие процедуры сведения хранятся в базе знаний. Тогда исходную задачу определяют как вычислительную» т.е. реализуемую на средствах вычислительной техники при известных множествах исходных данных и требуемых результатов. Процесс проектирования такой задачи означает ее описание на базе средств искусственного интеллекта в виде разложения на подзадачи с использованием конъюнктивно - дизъюнктивных структур связей. Поиск решения осуществляется на основе логической либо алгоритмической модели путем последовательного перехода к подзадачам, а от них - к элементарным вычислительным задачам. Следует отметить, что понятие «элементарность» финитной (конечной) задачи определяется лишь в сравнении со сложностью исходной задачи, а поэтому для решения элементарной задачи используют готовые программные модули различной степени сложности. Автоматическая процедура решения задачи в рамках этих моделей возможна в предположении наличия элементарных задач, т.е. задач, имеющих решение. Автоматизированное проектирование задачи в этом случае означает нахождение пути на графе редукции либо на графе состояний, а также определение перечня элементарных задач, решения которых необходимо иметь.

Знания о процедурах поиска и решениях элементарных задач должны храниться в базе. Вызов решения элементарной задачи осуществляется активизацией программного модуля, поэтому в процессе проектирования задачи должно создаваться и соответствующее программное обеспечение. Следует отметить, что в этих процедурах диалог проектировщика с системой может быть крайне ограниченным, поскольку он определяет лишь применимость или неприменимость отдельных программных модулей для использования при решении задачи.

В автоматизированных системах значительная часть плохо формализуемых задач не может быть описана на графе пространства состояний набором конъюнктивных и дизъюнктивных вершин. Это объясняется невозможностью формализации конкретной складывающейся ситуации при управлении и необходимостью вмешательства лица, принимающего решение. В этих условиях идеология решения задачи представляет собой процесс формирования математической модели на базе диалоговой процедуры принятия решения. Тогда вершины графов пространства состояний, в которых разветвляется путь поиска решения, могут интерпретироваться как узлы принятия решения в процессе проектирования задачи. Совокупность узлов объединяется в сеть, которая отображает сценарий, т.е. представление определенным образом организованных знаний в базе. Наличие ряда сценариев позволяет строить различные варианты математических моделей на основе эвристического поиска.

Известны методы эвристического поиска при разбиении исходной задачи на подзадачи с поиском в ширину и глубину. Их принято считать «слепыми», поскольку неизвестен порядок определения вершин. С увеличением пространства поиска, увеличиваются время и объем памяти, необходимые для его реализации. В ходе диалоговой процедуры проектировщиком вносится дополнительная информация из проблемной области, что позволяет сократить перебор и выделить наиболее вероятные пути поиска решения задач.

Знания в базе обычно структурируются по уровням представления. Для знаний, содержащихся в экспертных системах, характерной является трехуровневая классификация. К нижнему нулевому уровню относят знания о предметной области. Эти знания передаются в базу проектировщиком задачи. Следующий, первый уровень составляют метазнания о знаниях нулевого уровня. Ими определяются формы представления и методы организации знаний о предметной области. Во второй уровень включают метазнания о знаниях первого уровня. Сюда могут, быть отнесены знания о представлениях базовых понятий первого уровня. Отсюда вытекают иерархичесхая структура сценариев и многоэтапность процесса построена математической модели.

Знания о моделях могут быть представлены в базе также на трех уровнях. Нижний уровень отображает знания о конкретной математической модели, настроенной на данные исходной задачи. Эти⁵ знания приобретаются экспертной системой при общении с проектировщиком. На следующем уровне формируются знания по математической модели, которая предназначена для решения некоторой абстрактной задачи, сводимой при определенных исходных данных к задаче пользователя. К верхнему уровню могут быть отнесены знания о совокупности (классе) математических моделей, из которых выбирается требуемая модель.

Знания верхнего уровня можно считать стратегическими, так как они определяют методологию получения результата и позволяют описать абстрактно план поиска решения. Знания этого уровня задают потенциальные возможности экспертной системы. Знания среднего уровня можно определить как структурные. Ими регламентируется последовательность решения некоторой абстрактной типовой задачи. Нижний уровень содержит поддерживающие знания. Ими определяются условия применения модели и ограничения, получаемые из исходных данных задачи. Приведенная классификация методологически важна для реализации как режима приобретения знаний, так и для режима решения задачи.

Многоуровневое представление знаний о математических моделях дает возможность провести декомпозицию построения формальной модели решения задачи на ряд элементарных подзадач принятия решения в диалоговом режиме взаимодействия пользователя с системой. Ранее указывалось, что формализация процесса принятия решения означает генерацию возможных альтернативных решений, которые должны быть сформированы проектировщиком для конкретных задач предметной области. Их решения базируются на математических моделях нижнего уровня. Для перехода на следующий уровень представления знаний необходимо совокупность конкретных задач представить набором типовых задач. При наличии соответствующих решений эти задачи могут быть сформулированы в терминах формальной модели, что означает внедрение новой информационной технологии в процесс проектирования. Таким способом может быть создана спецификация задачи, которая автоматически трансформируется в требуемую математическую модель ее решения. Концептуальная модель и получаемая на ее основе

модель решения задачи являются базой для следующего этапа проектирования.