ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ “
Київський політехнічний інститут”
АЙМАН ІССА
(Сірія)
УДК 681.3.06
МЕТОДИ І ЗАСОБИ РОЗРОБКИ СПЕЦІАЛЬНОГО
ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ СИСТЕМ РОЗПОДІЛУ РЕСУРСІВ
спеціальність: 01.05.03 – Математичне та програмне забезпечення
обчислювальних машин і систем
Автореферат
дисертації на здобуття ученого ступеня кандидата
технічних наук
Київ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано на кафедрі обчислювальної техніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут"
Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент
Пустоваров Володимир Ілліч,
Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", доцент
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Зайцев Володимир Григорович,
ДНВП ”Комета” НВК “Київський інститут автоматики”, директор
кандидат технічних наук, доцент
Коломієць Валерій Федорович,
Інститут міжнародних відносин Київського національного університету України імені Тараса Шевченка, доцент кафедри міжнародної інформації
Провідна установа: | Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН України, м. Київ, відділ спеціалізованих засобів моде-лю-вання.
Захист відбудеться "_20_" __10____2003 р. у 14:30 годин на засіданні спеціалізованої ради Д26.002.02 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” (м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп. 18, ауд. 306).
Відзиви на автореферат у двох примірниках, завірені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, Вченому секретарю НТУУ “КПІ”.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “ КПІ”.
Автореферат розісланий "_18_"__09____2003 г.
Вчений секретар спеціалізованої ради
Д26.002.02,
кандидат технічних наук, доцент М.М. Орлова
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДОСЛІДЖЕННЯ
Актуальність теми дослідження обумовлена різким підвищенням склад--ності інформаційних систем (ІС) з функціями підтримки прийняття рішень (ППР), що вимагають створення програмного забезпечення (ПЗ) обробки величезних обсягів інфор-мації в режимі реального часу і мінімальної затримки в одержанні ре-зуль-тату уза-галь-нення ПЗ для розв’я-зан-ня типових задач, властивих для різних проблемних галузей досліджень (ПГД). Існує багато варіантів спеціальних програмних систем оперативного аналізу та прогнозуван-ня стану об’єктів обліку, але практично відсутні методи і технологіч-ні комплекси програмних компо-нентів для швидкого настроювання, реконфігурації та модифікації вже існуючого аналітичного та інформаційного ПЗ з врахуванням особливостей та динаміки зміни поточних ситуацій. До того ж, сучасні інструментальні за-со-би для побудови розподілених агентських програм та SQL-сервери ще не мають вбудованих машин логічного доведення для аналітичної обробки даних. Головна сучас-на проб-лема швидкої ге-нерації та оперативного настроювання таких систем полягає в забезпеченні їх комплексом ефективних типових програм, в тому числі для розробки машин логічного доведення та на їх основі спеціального ПЗ (СПЗ). Крім того, СПЗ інформаційно-аналі-тич-них систем (ІАС) не вклю-чає засобів автома-тизації, узагальнених для розв’я-зан-ня схожих за-дач, і потребує значних доробок і модифікацій при його впровадженні в нових галузях.
аким чином, розробка і дослідження методів і засобів побудови гнучких компонент СПЗ підготовки рішень з розподілу є актуальною в різних галузях господарства і має неабияке практичне значення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисер-таційна робота виконувалась у розвиток робіт за державною науково-тех-нічною програмою “Сучасні ін-формаційні технології в створенні ін-тегрованих виробничих комп-лек-сів” тема “Розроб-ка, дослідження та за-сто-сування засобів інтелектуалізації в про-це-сі проектування баз даних та прикладних програм в авто-матизованих системах на базі ПЕОМ” (№ держреєстрації 0195u008180, 1994-96 рр.) та в рамках робіт напрямку “Пер--спек-тивні інформаційні техно-ло-гії, прилади, системи зв’язку”, що вико-нувались кафедрою обчислю-валь-ної техніки НТУУ “КПІ” в 1997-99 рр.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є скорочення часу розробки та настроювання компонентів машини логічного доведення та інформаційно-аналітич-но-го СПЗ на її базі з використанням моделей та методів інженерії знань для розширення області застосування наявної інформаційної бази (ІБ) та підвищення ефективності систем ППР з ефективного розпо-ді-лу багатокомпонентних ресур-сів.
Об’єктом дослід-ження є СПЗ ІАС обліку та фор-му-ван-ня про-ек-тів рішень щодо прирощень ресурсів, а також засоби інженерії знань для вибору правил, критеріїв і шаблонів моделей рішень.
Пред-метом дослідження є ефективна організація дій з побудови та обробки внутрішнього подання моделей та ефективних програмних механізмів побудови еталонів для швидкого аналізу та прогнозу ситуацій, генерації та прийняття проектів ефективних рішень.
сновні задачі дослідження у від-по-від-ності з поставленою метою сформульовано наступним чином:
1.
Аналіз і удосконалення структур та форматів даних для ефективного подання структурних, чисельних та динамічних моделей і шаблонів стану ресурсів і ситуацій на об’єк-тах обліку, а також для подання алгоритмів, шаблонів, правил, критеріїв та таблиць керуючих даних, зручного для дослідження комплексів характеристик, а також підготовки і аналізу проектів рішень.
2.
Дослідження критеріїв ефективності методів і алгоритмів аналізу стану ресурсів і поточних ситуацій та побудова моделей ефективної організації та пошуку інфор-мації про стан ресурсів в базах даних (БД) і в шаблонах ситуацій баз знань (БЗ) для виконання цілеспрямованого перебору перспективних варіантів рішень.
3.
Розв’язання задачі генерації та перебудови програм ефективного розподілу ресурсів обліку та інформаційних ресурсів по вузлах розподілених обчислювальних мереж підпри-ємства і організація ефективного доступу до інформації розподілених БД і БЗ на основі аналітичного моделювання поточних і перспективних ситуацій.
4.
Вибір структури і механізмів реалізації уніфікованого ядра СПЗ та підсистеми діалогового настроювання окремих програмних компонентів з врахуванням конкретних показників та інтегральної оцінки поточного і перспек-тив-ного стану та ситуацій на об’єкті обліку.
Розв’язання цього комплексу проблем призводить до побудови методичних основ та інструментів створення гнучкого аналітичного СПЗ ІАС для підвищення ефективності діяльності осіб, що приймають рішення.
Методи дослід-жен-ня спира-ються на традиції по-бу-дови інфор-ма-ційних систем з вико-ристанням реляційних БД і їх за-сто-сування для побудови БЗ. Теоретичною осно-вою дослід-жен-ня є аналіз існуючих систем обробки ін-фор-мації, що викори-сто-вують концепцію БД і БЗ.
Наукова новизна одержаних результатів. Для досягнення постав-ле-ної мети запропо-новано оригінальні підходи до побудови СПЗ ІАС об’єктів обліку і розподілу ресурсів та вбудованої машини логічного доведення, що входить до його складу:
-
запропоновано нову комплексну класифікацію структур даних, елементів задач та методів для розподілу складових ресурсів, яка дозволила узагальнити інформаційно-ана-лі-тичну модель ресурсів об’-єктів обліку і їх розподілу за рахунок використання спеціальних структур шаблонів для даних та аналітичних формалізмів і визначити шляхи ефективного семантичного аналізу подій і ситуацій;
-
вдосконалено спосіб шаблонно-ієрархічного управ---ління задачами аналізу стану та вибору опера-тив-них рішень з розподілу та планування ресурсів об’єкта обліку процедурами, впорядкованими за позитивними і негативними показниками відносно оперативних та стратегічних цілей, прогнозів і прецедентів ситуацій в системах, що використовують дані і знання, збережені в реляційних СУБД;
-
узагальнено семан-тико-критеріальний метод настроювання та генерації ефективного СПЗ для порівняння поточних моделей зі статичними та ди-на-мічними шаблонами критеріїв, подій і ситуацій для визначення стану спо-жи---ва-чів та постачальників ресурсів засобами логіч-но-го доведення, що відріз-ня-ються можливостями реконфігурації та впорядкування елементів ресурсних моделей об’єктів обліку.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що результати до-сліджень доповнюють традиційні технології побудови СПЗ:
-
узагальненими методиками автоматизованого оперативного настро-ю-вання задач аналізу ситуацій за шаблонами та управління ресурсами на основі спрямованих ациклічних графів, які аналізуються компонентами СПЗ і дозво-ляють уникнути втрат через недостатню ефективність рішень, прийнятих в умовах дефіциту часу;
-
вдосконаленими формалізованими методиками навчання БЗ машини логічного доведення на основі пошуку перспективних рішень та їх попередньої оцінки, що накопичують фактичну та ста-тистичну інформацію про успішність прийняття рі-шень програмами СПЗ та адекватність по-бу-дови інформаційної моделі розподілу ресурсів.
Впровадження результатів. Практичні результати роботи були використані для побудови СПЗ в навчальному процесі на кафедрі обчислювальної техніки НТУУ ”КПІ” в циклах лабораторних робіт за курсами “Проектування інтелектуальних систем” та “Технології системного програмування”.
Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати, подані в дисертації, одержані здобувачем особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належить: [2] - методика прогнозування ефективності роботи підприємства за прецедентами та шаблонами при розв’язанні задач розподілу ресурсів, [3] - пропозиції механізмів визначення інформативності властивостей і даних та методику настроювання критеріїв ефективності за шаблонами розв’язання задач, [4] - застосування узагальнених структур аналітичних даних для подання семантичних шаблонів і критеріїв, а також моделей подій і ситуацій для узагальнення семантико-критеріального методу побудови та настро-ю-вання програм підтримки прийняття рішень з розподілу ресурсів, [5] - визначення ізоморфності задач розподілу ресурсів та структур даних для аблонно-ієрархічної організації задач в базі даних, [6] - еханізми побудови шаблонів і організації баз знань, [7] - етодики включення шаблонів до складу програмних компонентів, [8] - ропозиції реалізації шаблонів аналітичних типів через спрямований ациклічний граф.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дослідження обговорено на міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та електронні технології” в м. Одеса в 2001 році, на 7-й та 8-й Між-народних конференціях “Теорія і техніка передачі, приймання та обробки інформації” в м. Туапсе в 2001 році і в м. Харкові в 2002 році та на семінарах кафедри обчислювальної техніки НТУУ КПІ.
Публікації: за матеріалами дослідження опубліковано матеріали доповідей та п’ять статей у фахових виданнях, затверджених ВАК України, чотири з яких відповідають вимогам обліку для захисту дисертацій. Одна робота без співавторів.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, заключної частини та додатків, що складає 163 сторінок друкованого тексту, включає 17 малюнків, 22 таблиць, список використаної літератури на 189 назв і додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі визначено актуальність теми, спрямованість досліджень та визначено задачі, що розв’я-зуються в роботі.
В першому розділі розглянуто відомі підходи та методи розв’язання задач аналізу та прогнозування стану та ситуацій на об’єктах систем обліку та розподілу ресурсів і визначені перспективні напрямки розвитку засобів програмування цих задач. На основі аналізу визначено основні задачі розробки методів та методик в дослідженні.
СПЗ сучасних інфор-ма-ційних систем тради-цій-но будується на засадах узагальнення понять суті або семантики даних, методів їх обробки та структур даних. Найбільш широкою областю застосування ПЗ ІС ста-ли еконо-міка, наука і техніка експериментів та наука про управління.
Ідея побудови потужних інформаційних систем для підтримки прийняття рішень особами, що приймають рішення, пройшла етапи розвитку від АРМ керівника до потужних технологій типу CASE для проектування програм та аналітичних технологій OLAP. Слід відзначити, що різноманіття форм власності та неста-біль-ність економічних законів в регіонах світу, що розвиваються, призводить до поста-нов-ки специфічних задач при побудові систем оперативного та довгострокового управління фірмами з різ-ними варіантами організації управління. Серед сучасних розробок методів інженерії знань та алгоритмів підготовки та аналізу проектів рішень слід відзначити роботи українських вчених В.І.Скурихіна, В.Г.То-цен-ка, О.Г.Додонова, В.В.Хаджинова та інших провідних вчених НАН України Інституту кібернетики, Інституту проблем реєстрації інформації, Інституту проблем моделювання в енергетиці, Інституту програмних систем і наукових організацій промисловості України.
атематична сторона питання традиційно спирається на методи оп-ти--мізації за критеріями, побудованими на характе-ристиках об’єк-тів обліку та розподілу. При побудові СПЗ систем підтримки прийняття рішень (ППР) головною метою є автоматизація найбільш трудомістких і відпові-даль-них аспектів комп’ю-те-ри-зації об’єктів, тобто автоматизація підготовки або генерації рішень та аналіз можливих наслідків рішень. Однак програмна реалізація сучасних методів ППР сповільнюється відсутністю єдиного комплексу засобів автоматизації програмування промислових БД і віртуальних аналітичних машин для задач ППР.
Весь комп-лекс задач J = {Jsghщо стоять перед служ--ба-ми обліку, ана-лізу та прог-нозування стану динамічних об’єктів, систематизовано за трьо-ма впорядкованими напрямками. До двох традиційних напрямків, які визна-ча-ються індексом s для основних груп джерел даних в межах ПГД та індексом g – для цільових змінних та критеріїв розв’я-зан-ня задач, додано напрямок технології програмування задач з ндексом h.
відповідності зі структурою моделі ресурсів ІБ D АС доцільно поді-лити на зв’язані таблиці задач обліку: D = {DsТут індекс s, як і для задач Jsgh, визначається з множини {a, c, e, r, f, p, d} груп результатів задач оперативної обробки: a – про підсистеми обліку і накопичення ін-формації про внутрішній стан ресурсів; c – про стан зовнішніх об’-єктів дже-рел і споживачів ресурсів; e – про поточні події і ситуації; r – результати розподілу ресурсів; f – таблиці рішень та правила перспективного планування; p – критерії ранжування варіантів рішень; d – контракти, звіти та інші документи. ІБ зовнішньої Dext = Dc та власної інформації об’єкта розподілу Dreg = Da De Dr Dd традиційно являє со-бою реляційну БД, структура якої включає зв’язані таблиці з інфор-ма-цією про фі-нанси, бухгалтерію, матеріальні цінності, людські ресурси підприєм-ст-ва, тощо, або облікові таблиці технічної системи автоматизації. Дані, які використовуються в правилах Drule = Dp Df традиційно зберігаються в БД, а самі бізнес-правила Prule являють собою процедури, що зберігаються в SQL-сервері. Дані про оточення та взаємодію з ним (в економічних системах – маркетингу) Dmrkt = De Df поєднують зовнішні дані та еле-мен-ти правил або шаблони і правила Pmrkt, пов’язані з зовнішніми даними.
Що-б полегшити використання елементів правил в бізнес-пра-ви-лах, згрупуємо ці елементи в множини P = Pn Pa шаблонів значень Pn та ана-літичних Pa шаб-лонів типового застосування в правилах та крите-рі-ях БЗ. Та-кі дані та шаблони в свою чергу розглядаються як інфор-ма-цій-ні та аналітичні або інтелектуальні ресурси для перевірки, побудови, на-стро-ювання або навчання елементів СПЗ. Правила та критерії визна-ча-ють напрямки покращення ефективності, сталості та надійності систем розподілу ресурсів на основі традицій підходу розпізнавання образів.
В другому розділі запропоновано моделі контролю за створенням та споживанням ресурсів, стабільності об’єктів обліку та оцінки стану ресурсних об’єктів на основі систе-матизації і структуризації підтримання сталості та позитивного розвит-ку інформаційного об’єкта.
Формальна постановка задачі розробки, настройки та використання СПЗ з підготовки та прийняття комплексу рішень з управління та розподілу ресурсів в межах об’єкту обліку подана наступним чином:
Вхідні дані для розробки такого СПЗ на основі реляційної БД ІАС визначаються табличними відношеннями атрибутів локальних ресур-сів об’єк-та обліку rl(R), де R = {Rm}, m = 1.. mmax – колекція записів про ре-сурси, Rm = {xi} {yj}, i = 1.. imax, j = 1.. jmax, а xi та yj – синтаксичні та семантичні атрибути ресурсів; прирощеннями зайнятих Rb та вільних Rf ресурсів, що динамічно перерозпо-діля-ють-ся, прирощеннями Rt на момент часу t; відношеннями гло-баль-них ресурсів rg(R); відношеннями rd(G) рішень з розподілу ресурсів та їх проектів G = {Gn}, що заповню-ють-ся за-пи-сами Gn = {ygj, ygj, k} про цільові змін-ні рішень ygj та критерії k для напрямків зміни або обробки даних за допомогою СПЗ.
Результатом розв’язання поставленої задачі має стати організаційне СПЗ ана-лізу ситуацій і впливу на ІАС розподілу ресурсів для підтримки послідовності позитивних подій та ситуацій на базі механізмів автоматизованого та автоматичного настроювання програм. Настроювання по-вин-но відбуватися шляхом навчання БЗ ІАС через створення та рекон-фі-гурацію шаблонів, правил та крите-ріїв розпізнавання ситуацій та послідовностей подій при її проектуванні та експлуатації. Таке СПЗ повинно генерувати шаблони послідовностей ефективних рішень і дій, що підтримують роботу системи з прийнятною ефективністю розподілу. Проходження послідовності запланованих подій і ситуацій дозволяє ви-зна-чити поточні події і ситуації та одержати інформацію для навчання.
Фундаментальний шар БЗ зберігає ресурси зображу-валь-них за-со-бів до-вільної мови Ll = {Dsl, Dcl}, яка визначаються довідниками син-так-сичного контролю (ДСК) Dl = {Xl, l} та довідниками се-ман-тичної відповідності (ДСВ) Dl = {Yl, } елементів мови. Дані до-від-ників Dsl і Dcl про синтаксичні Xl та семантичні Yl ознаки склада-ють БД мови, а син-таксичні l та семантичні l мно-жи-ни правил розширюють БД до БЗ.
Ефективна реалізація семантичних частин СПЗ ІАС (див. рис.1) використовує мовно-незалеж-не подання біб-лі-отек шаблонів ПГД у ДСК або ДСВ з довільним впорядкованим алфавітом внутрішнього кодування, а також використання ДСК або ДСВ для трансляції у внутрішню форму та реконструкції шаблонів на конкретній зовнішній мові Ll. Механізм логічного доведення коректності, ефективності та сталості рішення на основі шаблонів ДСВ для моделей об’єк-тів, подій та ситуацій являє собою набір функцій або методів, що обробляють уніфіковані внутрішні подання шаблонів, правил, формул та критеріїв.
Семантична обробка, аналогічно синтаксичній обробці, регламентується аналізом позитивних шаблонів або шаблонів включення за k-м правилом або критерієм +k = +k({yj}), та додаткових шаблонів виключення за правилом або критерієм –k = –k(+k{yi}), {yi}). Задачі семантичної обробки виконують крім цього й вибірку та реконфігурацію інформації за правилами скорочень та перетворень. Корегуючі ДСВ зберігають множину відповідно-стей *lk = {lk({xlj}, {ycj, yqj})} впорядкованих се-ман-тичних шаблонів k наборам синтаксичних ознак xli задачі і мовно-незалеж-них семантичних ознак {ycj, yqj} та множині правил се-ман--тич-них обмежень та відповідностей = {k} і правил ранжуван-ня поточних, очікуваних та можливих ситуацій, подій та керуючих впливів. Вико-рис-тання впорядкованих кодів для квантифікаторів yqj спрощує побудову методів діяль-ності, взає-мо-дій і кооперації в рамках класів мов моделювання і прог-ра-му-ван-ня [3], а класифікаторів ycj – полегшує впорядкування типів об’єктів.
ПЗ ІАС будується на засадах узагаль-нення по-нять, методів і структур даних, пов’язаних з узагальненою структурою ІАС розподілу ресурсів з застосуванням засобів штучного інтелекту, і подана на рис. 1.
івень | івень загальності ПЗ
подання | 1 | 2 | 3 | 4
6
Суб’єкти системи | Оператори збору
зовнішньої інформації | Оператори збору внутрішньої інформації |
Інженер знань (системний аналітик) |
Особа, що приймає рішення
5
Поточна інформація | Настройка | Проекти
Зовнішня (потоки) | Внутрішня
(таблиці) | шаблонів і критеріїв | контрактів і реквізити
Архіви | Архіви | Архіви | Архіви
4
СПЗ ІС та СУБД | Засоби роботи з довідниками (ДСК і ДСВ) |
Засоби ведення облікової БД |
Засоби робо-ти з шаблонами і критеріями |
Засоби генерації нових рішень
3
СПЗ
системи | Засоби ведення архівів |
Засоби роз-пізнавання ситуацій |
Засоби
запуску
реакцій |
Засоби вибору рішень
2
Елементи СПЗ | Порогові детектори подій |
Логічні детектори подій |
Детектори подій запуску реакцій |
Детектори подій зміни рішень
1
Елементи динаміки | Елементи змін характеристик джерел | Елементи динамічних змін | Елементи поточних реакцій | Зміни поточних рішень
0
БД і БЗ | Довідники зовнішніх джерел | БД обліку та прогнозування | БЗ цілей і нормативів | БЗ прогнозів та прецедентів
Рис. 1
При побудові аналітичного СПЗ програм-ні компоненти розробляються для кожного блоку рисунку за всіма рівнями подання даних та всіма рівнями узагальнення. Сфера застосування, в свою чергу, визначає набір цільових змінних, шаблонів і критеріїв результатів та проміжних даних програм та їх використання для одержання результатів програм.
Кожна істотна зміна характеристик визначає істотну подію E(St-1, St), що змінює ситуацію в аналітичній моделі з St-1на St. При розв’язанні за-дач підтримки прийняття рішень, як і при розпізнаванні образів [3], для побудови шаблонів подій простір станів розбивається на класифікуючі області або кластери. Фактична інформація про послідовності ситуацій і подій разом з їх характеристиками накопичуються в таблицях БД і сховищах БЗ для наступного аналізу за допомогою уніфікованих шаблонів.
Для управління обчисленнями в ІАС необхідно визначити ситуацію Snt на об’єкті розподілу ресурсів, як об’єднання всіх критичних ситуацій s+nt та s–nt, що ініціюють розв’язання n-ї задачі аналізу та прогнозування Jn розвитку поточного стану об’єкта обліку та розподілу в момент t:
kmax kmax
Sn={s+n=+nk({yj}, {yj}), s–n=–nk({yj}, {yj})}, j=1.. jmax, n=1.. nmax. (1)
k=1 k=1
она визначається вірністю шаблонів для всіх позитивних подій +nk, та не-вір-ністю – для всіх негативних подій –nk, де k – номери елементарних шаб-лонів. Результатами задач визначення си-ту-ацій є двійкові ознаки за-пус-ку задач, що перевіряються спеціальними три-гер-ни-ми процедурами сучасних СУБД. В більш загальному ви-падку булеві критерії замінюються обмежувальними зведеними число-ви-ми шаблонами wnk, що формують позитивні значення для позитивних шаблонів та від’ємні – для негативних. При розв’я-зан-ні задач розпізнавання подій конкретні ви-ра--зи +nk, –nk і wnk ідрізняються між собою і включають обмежувальні від-ношення типу, через що важ-ливо зберігати адитивність складових шаб-лонів. Найчастіше рішення про розподіл ресурсів приймаються у формі:
-
яку частину вільних та резервних ресурсів Rf можна використати для актуальних цілей і як їх розподілити між цілями;
-
яку частину зайнятих ресурсів Rb можна перерозподілити, щоб поліпшити характеристики ситуації на об’єк-ті обліку.
Моделі ПГД ефективного розподілу та використання різних типів ресурсів подаються комплексами численних рівнянь та нерівностей для ресурсів, які не мож-на зіставити або звести до єдиної системи:
-
ресурси перерозподіляються з врахуванням законів збе-реження та додержанням балансів атрибутів одержаних та втрачених ресурсів:
i+yij = i–yij, i = 1.. imax, j = 1.. jmax; (2)
-
більшість локальних ресурсів об’єктів обмежуються прогнозованою чи пороговою сумою значень характеристик y'j та їх прирощень y'j в таблицях за нормуючою функцією v, зважених коефіцієнтами wi:
v(iwiyij) y'j, v(iwiyij) y'j, i = 1.. imax, j = 1.. jmax. (3)
Ефективним розподілом ресурсів вважається такий, що максимізує з заданою точністю позитивні підсумкові характеристики аналізу стану об’єкта обліку у відповідності з шаблонами ситуації. Балансні рівняння (2) та нерівності (3) разом з теоретико-множинними відно-шен-нями та реляційними зв’язками БД утворюють поточні критерії (1) і шаб-лони подій та си-туацій для визначення зміни поточної ситуації на об’єкті обліку. На множинах ре-сур-сів постачальників і споживачів rg та наявних власних ресурсів rl об’єкта обліку регулярно генерується та обирається ва-рі-ант розподілу або для наявних запитів з попиту та пропо-зи-ції ресурсів, або для послідовностей запитів до технічної системи.
Модель аналітичної частини системи обліку реалізується реля-цій-ни-ми таблицями БД для обліку ra(R), подій, прогнозів та планів ситуацій, проектів рішень, простих і групових впливів rd(R, P, A't, E't) та прецеден-тів rr(R*, P*, A*t, E*t). Ці таблиці разом з шаблонами, правилами і критеріями подій та ситуацій об’єктів розподілу та системи управління ресурсами складають шаблонно-ієрархічну модель ПГД розподілу ресурсів та її задач. Ці таблиці складають виміри зірки кубу OLAP, що використовується для зберігання характеристик ефективності, надійності, сталості наслідків та складності виконання розподілу ресурсів.
В третьому розділі подано розроблені методи та методики запов---нен-ня інте-лек-туальних компонент СПЗ на основі уза-галь-неної віртуальної машини (ВМ) та комплексу шаблонів для розпізнавання подій і ситуацій та перевірки критеріїв. СПЗ включає узагальнені числові і логічні методи розпізнавання образів за шаблонами. Ієрархія задач виконується в регулярному режимі з гори до низу і перезапускається за шаблонами подій та ситуацій від нижчих рівнів до вищих (див. рис.2).
Рівні задач та шаблонів:
Комплексів об’єктів | Задачі J0i
Шаблони 0ik
…
Базових об’єктів | Задачі J1i
Шаблони 1ik | Задачі J1i'
Шаблони 1i'k |
… | Задачі J1i''
Шаблони 1i''k
… | …
Підрозді-лів об’єктів | Задачі Jli Шаблони lik | Задачі Jli'
Шаблони li'k | Задачі Jli''
Шаблони li''k |
… | Задачі Jli'''
Шаблони li'''k
… | Рис. 2
Конкретні шаблони та цілі і критерії задач визначаються та настроюються відповідно призначенню систе-ми на етапах підготовки та перестроювання. Методи та механізми, запропоновані для реалізації ком-по-нен-тами різних типів, в тому числі типу клієнт-сервер, повинні використовувати узагальнене внут-рішнє подання аналітичних шаблонів та узагальнену схему оброб-ки всіх задач. При про-ектуванні підбирається достатня кількість інфор-мативних да-них для формування внутрішнього подання аналітичних шаб-лонів. Ін-фор-мативність характеристик визначається за напрямками видобування ін-формації функціоналами обмежень множин значень fc = {inf, '<', '', lim, '', '>', sup} та цільовими фун-кціоналами критеріїв інфор-мативності та ефективності fc = {extr, min, max}, що використовують характеристики об’єкта yci, yqi і ys, оцінки y = {yh, yp, y} характеристик інформативності yh, достовірності yp, сталості даних y, а також шаблони подій та ситуацій:
f c(ra({xli}, {yci}, {yqi}), ra({xli}, {yci}, {yqi}), , , p, p), (4)
де p та p – вектори шаблонів параметрів для характеристик об’єктів та ситуацій yci, yqi і ys, які змінюються залежно від ситуації в системі.
На етапах проектування та настроювання в процесі циклічного аналізу шаблонів інформативності (4) будуються структурно ідентичні шаблони і критерії розпізнавання подій та ситуацій, а також шаблони для оцінок цільових та вторинних показників системи: складності, ефективності, коефіцієнтами сталості, мірами відповідності послідовностей подій і ситуацій та своєчасності рішень зі зміни правил. На етапі екс--плуатації ці шаблони використовуються для перетворень, підготовки та прий-нят-тя рішень. Наслідком схожості формалізмів всього комплексу розв’язу-ва-них задач, стало визначення семантико-критеріального метода, реалізова-но-го уніфікованими процедурами співставлен-ня, модифікації та вико-нання послідовності правил, шаблонів і критеріїв. В його осно-ву покладено уніфіковане внутрішнє подання семантичних характеристик, їх аналітичних зв’язків і базових механізмів реалізації у вигляді спря-мо-ва-них ациклічних графів (САГ) з можливостями параметризації та реконфігурації і наведено відповідні приклади.
Шаблони рішень, попередньо підготовлені за таблицями рішень або прецедентами, формують таблиці прогнозів для опе-ративного аналізу подій та ситуацій. Прогнози та їх фактичні реалізації інтерпретуються за шаблонами або машинними кодами, згенерованими за їх внутрішнім поданням за допомогою ВМ логічного доведення, яка показана на рис. 3, і працює в інкрементних режимах на ета-пах виконання, перебудови, навчання та самонавчання за єдиною схемою обробки.
Для таких спів-ставлень визначено набір операцій, шаблонів та правил ко-рекції в форматі рядків таб-лиць рішень rd(r, P, At), де At визначає корекції для підвищен-ня адекватності, відміни використання, заміни та зміни спрямованості шаблонів. Шаблони подаються в форматі САГ для правил та критеріїв будь-якої складності. Варіанти розвитку СПЗ ви-значають необхідні компо-ненти і включають шаблони вільного розвит-ку стану e(E(St-1, St)), шаблони дій a(At), а також керованого розвитку об’єк-та за шаблонами сценаріїв типа “еталон-дія” e(E(St-1, St), a(At)), і правилами корекції елементів сценаріїв r(a(E(St-1, St), a(At)), a(A't)).
Типи елементів | ВМ | Об’єкти ВМ | Зовнішні
Пам’ять ВМ | Стеки | Запам’ятовуючий компонент | БД | об’єкти
|
Управляюча пам’ять | Пам’ять даних | Куби,
СУБД | Канали | Inter | Діалоги
Повернення | Команди | Сервер | Інтерфейси
Програмно-струк--турні зв’язки | Дані |
Комунікаційний ком-по-нент (машина доступу)
Управляючий компонент | Ініціюючі сигнали
Дані
Процесор ВМ | Вказівники сте-ків і потоків даних, подій, команд та сценаріїв | Операційний компонент і
Спрямованість операцій
Проектування; настройка;
експлуатація | Елементарні; групові; комплексні | Обчислення; співставлення; реконфігурації
Рис. 3
Ефектив-не СПЗ, основане на використанні правил, реалізовано через вбудований механізм оперативного збереження правил, їх компіляції і інтерпретації. Для цих цілей використовується будь-яка компілююча система, що випуска-ється промислово разом з діалоговою оболонкою для накопичення та корекції інформації. Ефективними методами розподілу ресурсів вважаються та-кі ме-то-ди, які дозволяють в обмежений час одержати результати, що дозволяють підтримувати позитивний баланс в системі ресурсів, обліку. Розрахунки ефективності СПЗ виконує в режимі уточнення результатів для одержання потрібної ефективності та точності рішень.
Визначено набори типових елементарних та композиційних формалізмів для подання шаблонів подій, ситуацій, правил та критеріїв і наборів типових функцій, функціоналів та операцій, що реалізують обробку правил та критеріїв за базовими алгоритмами основних режимів. Частина найбільш характерних з них подана на рис. 4.
Рішення про навчання та зміни в БЗ приймається за результатами співставлень послідовних ситуацій, преце-дентів, прогнозів і фактів, та їх варіантів за схемою етапів проектування, настроювання та обробки, наведеною на рис. 5. Спря-мо-ваність функцій та функціоналів шаблонів, занесених до БЗ, визначається відносно окремих груп аргументів та вхідних даних.
Шаблони правил та критеріїв і ситуацій в ІАС |
Шаблони ситуацій | Для аналізу груп подій: is|y i; is|y; s i+1 s|y i
Для аналізу послідовностей подій:(s|y t,…, s|y t+t’)
Для аналізу ієрархії подій і ситуацій: (iy li) …
Шаблони аналізу прогнозів | Прогнозів критичних подій: yii, - операція оцінки
Прогнозів послідовностей ситуацій: s'|y t,…, s'|y t+t'
Співставлення прогнозів і фактів: y' t y t
Критерії реалізації | Критерії інформативності: +h (R) +i, –h(R) +i
Критерії схожості: minj(d(yi, ij)), d – міра відстані
Критерії ефективності: V(f(n), Am) P+v; O(f(n)) P+o
Виконавчі шаблони (вибору рішень) | За ситуацією: rp(R, yp,(y'i)) minj(d(yi, y ij))
За таблицями і функціями рішень: r d(y, y, At).
За сценаріями і скриптами: +ak = Apk,…, Ap,k+k',
Рис. 4
Початок | Корекція моделей рішень для впливу на ситуацію або
Підготовка або корекція моделей ПГД та задач системи розподілу
Моделювання конт-рольних прикладів на моделях ресурсів
Настроювання БД та БЗ для збору даних та ППР
Чи адекватні цілі та критерії моделей? | Ні
Чи достатня інформативність даних? | Ні | Так
Експлуатація СПЗ з адаптацією шаблонів та критеріїв
Так
Формування правил і критеріїв ситуацій та підсистем ППР
Чи задовільні результати експлуатації? | Так
Ні | Чи інформативні критерії ситуацій? | Так | Ні
Ні | Чи вичерпані мож-ливості версії СПЗ?
Так
Рис. 5 | Кінець
Необхідні обсяги пам’яті V для збереження критеріїв і шаблонів та витрати часу T обраного метода перевірки шаблонів в формі критеріїв визначаються за формулами V = iV(i, yi), T = kT(jk), де – оцінка витрат на одноразовий розрахунок критерію, а T(jk) – витрати часу на проходження jk-го маршруту доведення k-го критерію або відповідності шаблону; – оцінка витрат пам’яті на зберігання кодів програми розра-хун-ку кри-те-рію, а V(i, yi) – витрати пам’яті для керуючих та інформаційних даних розрахунку i-го компо-нен-та критерію або шаблону.
Для реалізації алгоритмів СПЗ визначені п’ять рівнів компонентів СПЗ, що включають виконавчі примітиви, виконавчі модулі, пояснювальні, генеруючі та організаційні компоненти. На базі оцінок компонентів СПЗ запропонований узагальнений сценарій настроювання поведінки підсистеми розподілу ресурсів з семи етапів та сценарій виконання з трьох етапів. Запропонована мето-дика вибору та настроювання шаблонів, критеріїв та правил включає пункти, що передбачають побудову загального механізму у вигляді реалізації ВМ з наступним аналізом вторинних характеристик для математичного або експериментального обґрунтування коректності та ефективності правил та шаблонів.
В четвертому розділі розглянуто питання практичної реалізації ВМ для управління сце-наріями та алгоритмами і визначення області її ефектив-ного застосування та результати експериментів, що довели достовір-ність розроблених методик та оцінок.
При реалізації проблемних функцій для кожної з задач використано спеціальні механізми подання стану та ситуацій, на базі єдиної внутрішньої форми подання та множин форм відтворення, орієнтованих на різні варіанти семантичної інтерпретації. Окрім базових цільових підсистем підтримки прийняття рішення для полегшення сприйняття процесу автоматизованої підготовки прийняття рішень ство-рю-ються підсистеми пояснень, імітаційного та аналітичного моделювання, а також для других видів семантичної інтерпретації моделей. Аналітичне дослідження дозволило на базі питомої ваги окремих операцій в системах обліку і розподілу, оцінити їх ефективність, а також області ефективного застосування аналітичних компонентів СПЗ.
Експериментальна реалізація компонентів підтвердила ефективність методів та методик побудови програмних засобів та ефективність запропонованих процесів проектування аналітичних компонентів. Показано, що обсяги часової складності включають пропорційні та логарифмічні складові оцінок O(k(w1Nk + wslog Nk)). Аналітичні дослідження та моделювання визначили область ефективного використання при кількості елементарних операційних компонентів та шаблонів, що перевищує тисячі одиниць. Оцінки витрат на розробку та перенастроювання шаблонів СПЗ порівняно з варіантами використання різних технологій.
втором проведено експерименти з розробленим СПЗ з корекцією шаблонів та використанням традиційних засобів автоматизації і виконано пла-нування та оцінки витрат різноманітних ресурсів на розробку та настроювання програмного забезпечення з аналітичними компонентами, які показали достатньо високу ефективність розроблених методик.
В заключній частині роботи сформульовано висновки та результати дослідження.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ
В результаті теоретичних і експериментальних досліджень і розробки компонентів ефективного СПЗ одержані наступні результати:
1.
Класифіковано та систематизовано задачі обліку та оперативного планування розподілу та спрямування ресурсів, а також найбільш загальні методи їх розв’язання в інформаційно-аналітичних системах, побудованих на основі СУБД, що відрізняються зберіганням даних про динаміку і послідовність зміни стану ресурсів для розв’язання задач розподілу багатокомпонентних ресурсів та їх прирощень.
2.
На основі результатів класифікації запропоновано модифіковану інформаційно-аналітичну модель ресурсів об’єктів обліку і аналізу, яка відріз-няєть-ся включенням змінних шаблонів подій і ситуацій на об’єкті обліку та шаблонів динаміки зміни часткових, групових та сукупних характеристик ресурсів з інформацією про вплив таких подій, ситу-ацій та змін на загальний стан цього об’єкта.
3.
Удосконалено структуру спеціального ПЗ для аналізу та ефективного розподілу ресурсів, яка відрізняється зберіганням ранжованих статистичних і динамічних шаблонів, правил та критеріїв розпізнавання ситуацій та розподілу ресурсів в довідниках семантичної відповідності для регулярного співставлення різних варіантів рішень за шаблонами припустимості і критеріями ефективності різних ситуацій.
4.
Запропоновано спосіб шаблонно-ієрархічної організації задач подій-ного планування та управління ре-сур-сами, який відрізняється керованим цілеспрямованим перебором варіантів виконання задач в залежності від поточної ситуації і використовує механізми навчання за результатам аналізу наявних внутрішніх та необхідних зовнішніх ресурсів з врахуванням динаміки зміни їх характеристик.
5.
Розроблено удосконалений семантико-критеріальний метод побудови СПЗ з настроюванням компонентів, що відрізняються комплексним використанням впорядкованих графових шаблонів моделей, динаміки моделей обліку та аналітичних зв’язків для визначення перспективних та ефективних рішень, впорядкованих за комплексом критеріїв ефективності.
6.
Розроблено автоматизовану методику проектування інформаційно-аналітичних компонентів на основі уніфікованого ядра СПЗ у формі багаторежимної віртуальної машини, яка відрізняється використанням підсистеми навчання за шаблонами аналізу ситуацій та прийняття рішень типа “еталон-дія”, що підвищує ефективність використа-ння СУБД і скорочує кількість програмних модулів ядра.
7.
Результати експериментальної реалізації елементів системи налагоджуваних аналітичних компонентів вибору оперативних рішень з управління ресурсами підприємства і прогнозу за різними варіантами реалізації модельних експериментів показали суттєве підвищення швидкості перебору варіантів при оперативному аналізі в системі обліку та приблизно 5-разове прискорення режиму навчання в порівнянні з перекомпіляцією правил, що включаються в середовище SQL за допомогою процедур, складених на цій мові.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1.
Исса А.С. Эффективная эксплуатация программного обеспечения для организации управления развивающимися предприятиями. Вісник НТУУ “КПІ”. Інформатика, управління та обчиcлювальна техніка – К.: “Век+”.– 1998.– 31.– с. 174 – 180.
2.
Пустоваров В.И., Исса А.С. Прогнозирование эффективности деятельности предприятия методами искусственного интеллекта. Вісник НТУУ “КПІ”. Інфор-матика, управління та обчислювальна техніка, К.: “Век+”. – 1999. – 32. – с. 127 – 136. (Дисертанту належить методика прогнозування ефективності роботи підприємства за прецедентами та шаблонами при розв’язанні задач розподілу ресурсів).
3.
Исса А.С., Пустоваров В.И. Модели и шаблоны для решения задач эффективного распределения ресурсов. Вісник НТУУ “КПІ”. Інформатика, управління та обчиcлювальна техніка – К.: “Век+” .– 2000. – 33. – с. 47 – 55. (Дисертанту належать пропозиції механізмів визначення інформативності властивостей і даних та методику настроювання критеріїв ефективності для розв’язання задач).
4.
Исса А.С., Пустоваров В.И. Структуры данных интеллектуальных компонент для анализа и накопления знаний, представленных в форме направленных графов – Вісник НТУУ “КПІ”. Інформатика, управління та обчиcлювальна техніка – К.: “Век+”. – 2002.– 37.– с. 49 – 55. (Дисертанту належать застосування узагальнених структур аналітичних даних для подання семантичних шаблонів і критеріїв, а також моделей подій і ситуацій, щодо систем підтримки прийняття рішень з розподілу ресурсів).
5.
Пустоваров В.И., Тюрютиков А.И., Исса А.С. Информационные базы для компьютеризации фирм различных форм собственности // Вісник НТУУ “КПІ”. Інформатика, управління та обчиcлювальна техніка – К.: ТОВ “ВЕК+”. – 1998. – 31. – с. 164 – 173. (Дисертанту належить визначення ізоморфності задач розподілу ресурсів та структур даних в базі даних).
6.
Брагинский О.Л., Исса А.С., Пустоваров В.И., Стиренко С.Г. Обобщенные инструменты для построения шаблонов моделей и баз знаний интеллектуальных компонент программного обеспечения. Труды 2-й международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”, Одесса. – 2001. – с. 50 – 51. (Дисертанту належать механізми побудови шаблонів і організації баз знань).
7.
Брагинский О.Л., Исса А.С., Пустоваров В.И., Стиренко С.Г. Интел-лектуаль-ные компоненты для анализа и накопления знаний в CASE-системах // Сбор-ник научных трудов по материалам 7-й международной конференции “Теория техника передачи, приема и обработки информации”, Харьков. – 2001. – с. 372 – 373. (Дисертанту належать пропозиції включення шаблонів до складу компонентів).
8.
Исса А.С., Пустоваров А.В., Пустоваров В.И., Соболь Х. Расширение языков запросов и моделирования для аналитической обработки знаний // Сбор-ник на-уч-ных трудов по материалам 8-й международной конференции “Теория техника передачи, приема и обработки информации”, Харьков. – 2002 . – с. 234 – 235. (Дисертанту належать пропозиції реалізації аналітичних даних через спрямований ациклічний граф).
АНОТАЦІЇ
Ісса Айман Сарем. Методи та засоби розробки спеціального програмного забезпечення для систем
