НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Любченко Наталія Юріївна

УДК 004.031.42:[004.822+004.832.28]

Метод побудови стратифікованої семантичної мережі
для підтримки прийняття управлінських рішень

у складних організаційних ієрархічних системах критичного застосування

Спеціальність 05.13.03 – системи і процеси керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському університеті Повітряних Сил імені Івана Кожедуба Міністерства оборони України

Науковий керівник – кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Паржин Юрій Володимирович,

Міжгалузевий інститут післядипломної освіти при Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут", заступник директора з науково-педагогічної роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Краснобаєв Віктор Анатолійович,

Харківський державний технічний університет сільського господарства ім. П. Василенка, професор кафедри автоматизації та комп’ютер-них технологій

кандидат технічних наук, доцент

Адаменко Микола Ігоревич,

Академія внутрішніх військ Міністерства внутрішніх справ України, м. Харків, старший науковий співробітник науково-дослідного центру

Захист відбудеться 20.12. 2007 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.14 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою: 61002,
м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий 18.11.2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ліберг І.Г.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Процес прийняття управлінських рішень в складних організаційних ієрархічних системах (СОІС) критичного застосування ґрунтується на використанні відповідних, наперед розроблених, положень, інструкцій, оперативних планів та інших керівних документів.

Для вирішення завдань підвищення оперативності та обґрунтованості
прийнятих рішень пропонується створення інформаційної системи підтримки прийняття управлінських рішень в СОІС критичного застосування. Основними інформаційними елементами даної системи повинні стати формально-логічні засоби представлення та обробки знань і даних про проблемну галузь керування (модель проблемної галузі).

Відомі методи представлення знань не можуть бути ефективно використані при створенні інтерактивних систем підготовки прийняття рішень в СОІС критич-ного застосування. Це пояснюється існуванням проблеми неадекватності моделей, що використовуються, реальним процесам функціонування об'єктів керування СОІС, однією з причин якої є недостатня повнота мовних засобів формально-математичних апаратів моделювання. Дана обставина виявляється: у відсутності логіко-лін-гвістичного взаємозв'язку інтенсиональних і екстенсиональних даних про проблемну галузь і неможливість у зв'язку з цим реалізації ефективних процедур виводу; у відсутності єдиного підходу до структуризації інформації про проблемну галузь керування та її взаємозв'язку з інформацією про організаційну структуру, цілі та завдання СОІС; у виникненні суперечностей, що виявляються в процесі формування варіантів рішень (перевірки їх істинності), пов'язаних з не-повнотою представлення знань і даних, а також проблемою підтримки їх актуальності. Для вирішення зазначених задач необхідно розробити метод представлення та обробки знань і даних на основі застосування формалізму стратифікованих семантичних мереж (ССМ).

Таким чином, актуальною науковою задачею є алгоритмічне та інформаційне забезпечення систем підтримки прийняття рішень на основі застосування методу побудови стратифікованої семантичної мережі, що дозволяє підвищити оперативність та обґрунтованість прийнятих рішень в СОІС критичного застосування.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася згідно з планом науково-технічних робіт Харківського університету Повітряних Сил у рамках держбюджетних тем “Оцінка можливостей використання телекомунікаційної мережі АСУ "Дніпро" для забезпечення
достовірності, оперативності та інформаційної безпеки при оповіщенні про повітряну обстановку в АСУ спеціального призначення" (шифр "Інтеграція – ХУПС", ДР № 0101U000439) та “Дослідження та обгрунтовання шляхів та методів підвищення ефективності управління складними організаційно-технічними системами" (шифр "Норма-05-ХУПС", ДР № 0101U000520), де здобувач була виконавцем окремих розділів.

Мета дисертаційних досліджень.

Метою досліджень є підвищення оперативності та обґрунтованості
приймаємих управлінських рішень в СОІС критичного застосування в результаті автоматизації процесів підготовки управлінських рішень за допомогою стратифікованої семантичної мережі.

Для досягнення цієї мети поставлені наступні задачі:

1. Провести дослідження існуючих підходів до формалізації завдань керування в органах керування (ОК) СОІС для визначення основних напрямів їх вдосконалення.

2. Розробити математичну модель, яка дозволяє досліджувати процеси
функціонування СОІС при вирішенні задач оперативного керування та визначення вимог до формально-логічних засобів побудови математичного забезпечення (МЗ) інтерактивних систем керування.

3. Визначити вимоги до формально-логічних засобів побудови та зміни структури моделей СОІС на основі аналізу відомих методів представлення знань.

4. Розробити метод побудови стратифікованої семантичної мережі, як формально-логічний засіб моделювання процесів керування та функціонування СОІС.

5. Оцінити ефективність застосування інтерактивних систем в органах керування СОІС критичного застосування на прикладі виконання окремих аварійно-рятувальних завдань підрозділами Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи (МНС).

Об'єкт дослідження – процес прийняття рішень в СОІС критичного застосування.

Предмет дослідження – методи аналізу і синтезу моделей СОІС критичного застосування для підтримки прийняття рішень в процесі керування.

Методи дослідження. На етапі дослідження процесів функціонування СОІС і розробки моделей формування оптимальних управлінських рішень в системах критичного застосування використані теорія множин, теорія моделей математичної логіки, теорія графів, теорія ймовірності, теорія прийняття рішень, теорія систем керування, методи дослідження операцій. Розробка методу побудови фор-мально-логічних засобів (стратифікованої семантичної мережі) побудови та зміни структури моделей функціонування СОІС критичного застосування базувалася на теорії формальних граматик, теорії алгоритмів, теорії числення предикатів і секвенціального числення. При оцінці ефективності інтерактивних систем в органах керування СОІС використані методи системного аналізу, теорії алгоритмів, теорії ймовірності, відомі експериментальні методи оцінки обґрунтованості вироблених рішень на основі проведення елементів імітаційного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Удосконалено математичну модель процесів функціонування СОІС при вирішенні задач оперативного керування в системах критичного застосування, яка відрізняється від відомих моделей використанням доведеної властивості немонотонності "розширення" структур над множиною підграфів цілей оперативного керування, що стоять перед органом керування залежно від виділення йому додаткових ресурсів; це дозволяє зменшити кількість варіантів перерозподілу ресурсів. [1, 5, 7, 8, 10].

2. Вперше розроблено метод побудови стратифікованої семантичної мережі для підтримки прийняття управлінських рішень в СОІС критичного застосування, який відрізняється від відомих методів:–

денотативною семантикою ССМ, заснованою на використанні запропонованої предикатно-актантної структури відносин між об'єктами ССМ у вигляді системи аксіом логіко-лінгвістичного виводу [6, 9];–

операційною семантикою ССМ, заснованою на використанні запропонованих схем виводу та засобів керування логічним виводом і підтримкою несуперечності бази даних ССМ в результаті введення списків підтримки актуальності фактів і сценаріїв дій [3, 4].

3. Одержав подальший розвиток метод семантичної обробки вхідних виразів в інтерактивних системах підтримки прийняття рішень СОІС критичного застосування, який відрізняється від відомих методів використанням процедур, що оброблюють як інтенсиональну, так і екстенсиональну інформацію; це дозволило розширити клас запитів до системи [2, 4].

Практичне значення одержаних результатів.

1. На основі розробленої математичної моделі запропонований алгоритм прийняття управлінських рішень органом керування, який дозволяє удосконалити процес керування в СОІС критичного застосування щодо підвищення оперативності й обґрунтованості прийнятих рішень.

2. Реалізація розробленого методу побудови ССМ дозволяє створити інтерактивні комп'ютерні системи підтримки прийняття управлінських рішень, які підвищують оперативність прийняття даних рішень на 15та їх обґрунтованість на 20в порівнянні з існуючими технологіями прийняття управлінських рішень (без використання систем "запит-відповідь" підтримки прийняття рішень), в умовах часових обмежень циклу прийняття управлінських рішень до 5 хвилин.

3. Запропонований метод семантичної обробки вхідних виразів в інтерактивних системах підтримки прийняття рішень СОІС критичного застосування дозволив розширити клас запитів до системи в середньому на 15

Результати роботи впроваджені і використовуються: у Метрологічному центрі військових еталонів, м. Харків (акт впровадження від 13.03.2007); у Державному науково-виробничому підприємстві "Об'єднання Комунар", м. Харків (акт впровадження від 14.02.2007); у Міжгалузевому інституті післядипломної освіти при Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" (акт впровадження від 30.01.2007); у Науково-дослідному, проектно-конструк-торському та технологічному інституті мікрографії, м. Харків (акт впровадження від 15.02.2007).

Апробація результатів дисертації. Основні результати й положення дисертаційної роботи докладалися та обговорювалися на наступних науково-технічних конференціях і семінарах: Міжнародна науково-практична конференція "Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ`2006" (Харків, 2006 р.) [11]; Міжнародна науково-практична конференція "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоровя" (Харків, 2007 р.) [12]; Міжнародна науково-технічна конференція "Проблеми інформатики і моделювання" (Харків, 2006 р.) [13]; Наукова конференція Харківського Університету Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба (Харків, 2007 р.) [13].

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковані в 14 роботах, серед них 10 статей в фахових виданнях ВАК України.

Структура дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації 242 сторінки; 4 рисунка на
3 окремих сторінках, 4 рисунка по тексту; 2 таблиці по тексту; список використаних літературних джерел з 147 найменувань на 14 окремих сторінках; 13 до-датків на 86 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність задачі, сформульовані мета і завдання дослідження, відображено зв'язок роботи з науковими програмами та планами, наведено наукову новизну, практичну значимість та дані про апробацію наукових результатів, публікацію матеріалів дисертації та їх впровадження.

У першому розділі проведений аналіз сучасного стану розробки спеціального математичного забезпечення систем підтримки прийняття рішень в СОІС критичного застосування, визначено типи даних систем, їх призначення та особливості прийняття рішень. При побудові математичних моделей оптимального планування операціями, що враховують випадкові чинники, доводиться мати справу з різним ступенем точності функції розподілу, пов'язаної з неповнотою знання про зовнішнє середовище і стан СОІС в певні моменти часу. Дана обставина є однією з основних суперечностей мети керування (прийняття або вибору оптимального управлінського рішення) і способу прийняття даного рішення, пов'язаного з неповнотою і суперечністю даних та знань про моменти і ступінь дії зовнішнього середовища на органи і об'єкти керування СОІС, а також на результат прийняття рішення. Ця ж обставина є основним науковим протиріччям, рішенню якого присвячена дана робота. Визначаються обчислювальні методи, що використовувались при формалізації завдань керування в СОІС, приводиться узагальнена модель оптимізації процесу керування в СОІС на основі застосування цих методів та здійснюється її аналіз. Визначаються обмеження, які властиві подібним моделям. У заключній частині розділу розглядаються основні напрями та можливі методи рішення сформульованих задач, конкретизується постановка завдань, що вирішуються в дисертаційній роботі.

У другому розділі проводиться синтез структури цілей і завдань оперативного керування СОІС. Розглядається m-рівнева ієрархічна система керування із заданою структурою (рис. ),

Рис. 1. Граф GX

яка представляється деревом GX (, R), де вектор вершин = (Х(0), (1), … , (m–1)) складається з множини ОК різних рангів, а множина дуг R = {} – зв'язки підлеглості між органами керування; i – ранг j-го ОК, з якого виходить зв'язок на -й ОК рівня і .

Граф , ізоморфний графу GX, складається з множини вершин = (С(0), (1), … , (m–1)) цілей і задач ОК, що стоять перед відповідними ОК в графі GX, а Н = {} – множина дуг графа GC, які визначають відносини умов досягнення мети верхнього рівня. Множина підграфів {} відображає цілі та задачі ОК рівня m – (рис. )

Рис. 2. Графова модель реалізації цілей та задач керування

і розширює граф GС. В свою чергу, кожна з вершин j підграфа може бути з'єднана ребром з вершиною підграфа , якщо між ними існують зв'язки.

Тому виникає необхідність побудови графа координуючих цілей і завдань (рис. ),

Рис. 3. Графова модель реалізації

координуючих цілей та задач

де – вектор, що складається з множини координуючих цілей органів керування різних рангів; – множина, що складається з неорієнтованих та орієнтованих відношень між координуючими цілями.

Зовнішнє середовище, впливаючи на об'єкт керування і змінюючи
кількість ресурсів, виділених для досягнення мети оперативного керування -му органу керування (m – )-го рангу, вимагає від органу керування рішення задач по перерозподілу ресурсів між органами керування з індексами і (m – 1)-го рангу. Тому необхідно побудувати граф цілей і задач щодо оперативного перерозподілу ресурсів , ізоморфний графу .

Для моделювання процесів функціонування СОІС при вирішенні задач оперативного керування проводиться декомпозиція підграфів цілей та задач нижнього рівня, яка дозволяє врахувати вплив зовнішнього середовища та ввести поняття структури перерозподілу ресурсів (рис. 4):

Рис.4. Приклад структури

перерозподілу ресурсів

(1)

де вершини графа – це підграфи цілей оперативного керування: забезпечених ресурсами ({}), незабезпечених ресурсами ({}) та відкладених ({}) на даний момент часу. З метою скорочення кількості можливих варіантів вводиться поняття доцільної множини структур перерозподілу, елементи якої повинні відповідати наступним вимогам:

(2)

де {} – доповнення, утворене структурою ;

(3)

На введених множинах структур доводиться властивість немонотонності "розширення" структур над множиною підграфів цілей оперативного керування, що стоять перед m–1-м ОК залежно від виділення додаткових ресурсів. Нехай на визначена множина {} і -му ОК виділена множина додаткових ресурсів. Тоді об'єднання структури {} і будь-якої із структур, множина RS котрих формується з додаткових ресурсів на елементах множини {}, буде підструктурою принаймні однієї з множини структур, заданих на з урахуванням всіх ресурсів, включаючи додаткові, які мають в своєму розпорядженні -ті ОК (m – )-го рангу.

Доказана властивість дає змогу формалізувати задачу оптимізації базової організаційної структури для прийняття управлінських рішень з наступною цільовою функцією:

, (4)

де – показник якості рішення задачі оперативного керування -м ОК для -го ОК; – множина ресурсів, що виділяються -му ОК для вирішення завдань оперативного керування; – відповідно вектори ресурсів в та із в , визначені в результаті перерозподілу ресурсів, що здійснюється ОК вищого рівня; – символ композиції; – оптимальне значення узагальненого показника якості .

Обмеження цільової функції випливають з структур вищенаведених графів. Для розв'язання (4) пропонується двохрівневий декомпозиційний алгоритм.

Проведене моделювання дає змогу стверджувати, що процес синтезу координуючих та керуючих впливів СОІС не може бути описаний ніякою детермінірованою схемою глобальної оптимізації відносно кінцевої мети системи, тому що перехід від реального об'єкта до його формальної моделі супроводжується втратою семантичних відомостей про об'єкт, внаслідок чого втрачається можливість адекватного відтворення об'єкта. Тому модель повинна бути розширена семантичним описом та процедурами пошуку даних та знань, які є складовими розробленого методу побудови стратифікованої семантичної мережі, розглянутого у наступних розділах.

У третьому розділі визначаються вимоги до формально-логічних засобів побудови та зміни структури моделей СОІС, основними з яких є представлення інтенсиональної інформації різного ступеня спільності та можливість семантичного керування процесом логічного виводу. Метод побудови ССМ базується на формуванні денотативної та операційної семантики ССМ. У третьому розділі розглядається побудова денотативної семантики ССМ.

Інтенсиональна інформація про проблемну галузь представляється у вигляді: множини ієрархічних структур основних і додаткових понять, що відображають структури реальних СОІС та понять, які характеризують процес функціонування СОІС в часі, просторі та інше; множини структур фреймового типу для представлення інформації про порядок обробки екстенсионалів понять моделі адекватно реальним інформаційним процесам підготовки рішень задач оперативного керування різними ОК СОІС; множини аксіом логічного виводу на екстенсионалах елементів понятійної структури моделі проблемної галузі керування; множини спеціальних логічних аксіом для забезпечення процесів логічного виводу на понятійній структурі. Екстенсиональна інформація представлена також нетрадиційним чином, тобто не тільки з використанням формалізмів теорії баз даних, де кожен елемент понятійної структури має свій екстенсионал. Елементи одного рівня спільності утворюють страту екстенсионалів даних понять відповідних структур основних і додаткових понять; стан об'єкту керування
СОІС представляється у вигляді екстенсиональної семантичної мережі; атрибути елементів семантичної мережі, що використовуються в процесі логічного виводу або фактографічного пошуку інформації, зберігаються у вигляді D-таблиць. Розробляється денотативна семантика формально-логічних засобів побудови та зміни структури моделей функціонування СОІС. Ці засоби отримали назву стратифікованих семантичних мереж. Вводиться понятійна структура ССМ, що визначає загальну організацію моделі проблемної галузі, та досліджуються її властивості.

Мова ССМ орієнтована на представлення понять. Поняття P – невизначуваний інтенсиональний об'єкт, який характеризується своїм ім'ям (ідентифікатором) і сукупністю своїх прикладів щодо деякого фіксованого контексту.

Нехай – множина термінів, що позначають поняття вихідної предметної галузі, а – множина бінарних відношень на множині Х, що включає тільки транзитивно-антисиметричні відношення SQN – ”частина – ціле”. Співвідношення SQN використовуються для структурованого опису понять, що вводяться. Визначимо структуру S у вигляді відношення

понятійну структуру ССМ представимо у вигляді

, (5)

де S0 – структура основних понять, які використовуються як засіб для відображення стану галузі, що розглядається; Sk – структура додаткових понять для усунення неповноти опису взаємодії галузі, що розглядається, із зовнішнім середовищем;
SU – структури, що є множиною елементів універсумів із заданими між ними відношенням SQN; D–таблиці -– реляційні бази даних; –

функції вибору F (операції виділення і теоретико-множинні операції) для виділення необхідної екстенсиональної інформації, що міститься у D-таблицях. Оскільки обробка D-таблиць може проводитися не тільки відповідно до імен ідентифікаторів елементів, але і за збігом окремих атрибутів, то результат виділення теоретико-множинних операцій може містити елементи з різними ідентифікаторами.

Проводиться аналіз відомих засобів для представлення екстенсиональної
інформації в моделі проблемної галузі. За наслідками аналізу робиться висновок про те, що для цих цілей найбільш підходить апарат семантичних мереж (СМ), який у свою чергу має ряд недоліків, для усунення яких пропонується підхід "поглиблення" семантичних відмінків СМ шляхом виділення прийменникових структур на основі контекстуалізації проблемної галузі.

Виділяються два види семантичних структур: структура дій об'єктів (предикати просторового переміщення об'єктів R1; предикати просторового положення об'єктів R2; предикати модифікації стану об'єктів R3; предикати здійснення дії над іншими об'єктами R4); структура станів об'єктів в предметній області (предикати зовнішнього стану об'єктів R5; предикати призначення об'єктів R6).

Кожна семантична структура має предикатно-актантний вигляд (рис. 5),

Рис. 5. Граф Rj

де – ім'я предикату; – актанти (значення предметних змінних, що
позначають об'єкти, які входять до складу структури). Вершина, представлена у формі кола, визначає ім'я предиката, а вершини у формі квадрата – конкретні значення актантів. Індекс i визначає значення мітки прикладу або контрприкладу, яке має даний предикатний вираз. Зв'язки між вершинами позначаються цифрами – відповідними ідентифікаторами актантів.

Для кожного з представлених вище семи типів предикатів будується своя предикатно-актантна структура (у предикатні структури будуть введені прості непохідні прийменники). Кожний з актантів є кортежем , в якому – безвідмінковий модифікатор уточнення об'єкту; – прийменник, який використовується при ідентифікації об'єкту . Для просторово-часового контексту в роботі визначено 11 типів актантів.

Таким чином, в даному розділі визначена понятійна структура ССМ, адекватна структурі СОІС, визначені основні операції на елементах даної структури ССМ, розглянута процедура побудови екстенсиональної бази даних ССМ на основі формування запропонованих предикатно-актантних структур семантичних мереж, введена аксіоматика ССМ, що в сукупності дозволяє реалізувати процеси представлення знань і даних, пошук та вибір інформації на елементах ССМ. Розроблена денотативна семантика ССМ є інструментом створення інформаційної бази для подальшої обробки даних, виведення знань та підтвердження їх істинності (актуальності). Вирішенню даних проблем присвячено розділ 4.

У четвертому розділі розробляється операційна семантика ССМ, що доз-воляє безпосередньо здійснювати зміну структури моделі СОІС. Визначається операційна семантика логічного виводу на понятійній структурі та екстенсиональній семантичній мережі ССМ.

Проблема реалізації алгоритмів семантичного керування процесом логічного виводу пов'язана з рішенням двох задач: 1) подолання монотонності дедуктивного виводу, що полягає в тому, що істинність виразів про стан проблемної галузі постійна, а сам вивід зрештою розглядається як розширення поточної множини виразів за рахунок нових виразів; 2) підтримка в актуальному стані моделі проблемної галузі, тобто введення нових і видалення фактів, що суперечать поточному стану.

Під фактом розуміються вирази (вислови), які містять тільки константи і не містять вільних змінних. При введенні нових фактів необхідно проводити перевірку на несуперечність їх стану СМ та її корекцію відповідно до даних, що вводяться. Визначаються суперечності: формально-логічного типу, що виникають, коли представлені два факти, що виключають один одного; семантичні – коли в СМ містяться факти про здійснення декількох дій одним об'єктом, причому таких, які не можуть їм виконуватися одночасно; ситуативні суперечності – наявність (зокрема, в процесі логічного виводу) ситуації, які перешкоджає існуванню (введенню в СМ) факту, що вводиться.

Кожен елемент СМ є центром відповідної ситуації. Ситуацію, до центру якої відбулося звернення, називають вибраною. Макроситуація, до якої відноситься вибрана ситуація, буде такою, що ініціалізована. При введенні нового факту утворюється декілька вибраних ситуацій, які ініціалізували відповідні макроситуації. Приклади понять, які містяться у факті, що вводиться, утворюють центри вибраних ситуацій. Кожному елементу СМ, який є центром вибраної ситуації, відповідає множина фактів в макроситуації, що ініціалізована ним, які можна виділити у дві підмножини: підмножину фактів СМ, що дозволяють введення в структуру СМ нового факту ("причини за"); підмножину фактів СМ, що забороняють введення в структуру СМ нового факту ("причини проти"). Об'єднання цих підмножин утворюють список підтримки актуальності (LSA), який має наступну структуру:

, (6)

де – елементи понятійної структури ССМ; – ім'я предикативного відношення; r – роль поняття у ; , – відповідно списки "причин за" та "причин проти".

Список утворює ідентифікатор конкретного LSA, за яким до нього здійснюється звернення. Ідентифікатор LSA формується із запиту до ССМ, який є ролевим предикатним виразом.

Нехай запит має вигляд предикативного виразу з частково інтерпретованими ролями, тобто

, (7)

де , , , ... – приклади відповідно понять ССМ ;
1,2, 3, ..., 11 – номери ролей у виразі R.

За прикладами понять, що містяться в запиті, визначаються поняття в ССМ, екстенсионалами яких є вказані приклади. Потім з множини LSA, інцидентних знайденим поняттям ССМ, виділяється підмножина LSA з ім'ям предикатного відношення релевантним предикату в запиті, тобто R. Виділена підмножина LSA є списками підтримки для прикладів понять з ролями, вказаними в запиті. Для кожного LSA з виділеної підмножини проводиться інтерпретація аргументів, що містяться в них, відповідними прикладами даних понять із запиту. Перевірка на макроситуаціях є необхідною, коли у факті, що вводиться, містяться аргументи, для яких аналіз елементів СМ у відповідних їм вибраних ситуаціях залежатиме від стану інших ситуацій, в які входять дані елементи.

Для інтерпретації неінтерпретованих аргументів LSA необхідно визначити порядок виконання дій, який задається у факті, що вводиться. Тобто вводять сценарії виконання дій, в які входять поняття, що визначають ці дії. Сценарії можуть бути складені тільки для визначення аргументів, що входять у факти з ім'ям предикатного відношення четвертого типу (виконання дій над іншими об'єктами).

Приводяться схеми логіко-лінгвістичного виводу на підструктурах понятійної структури ССМ. Для кожної структури визначені свої схеми виводу на СМ, оскільки логічний вивід визначається значеннями атрибутів актантів, що входять у відповідну семантичну структуру.

Для прикладу розглянемо одну із схем фактографічного об'єднання

(8)

де – невизначені значення актантів для першого прикладу першої семантичної структури; – конкретні значення актантів, верхній індекс означає номер прикладу структури, до яких вони відносяться;; – предикат, що виражає бінарне відношення рівняння ; другий верхній індекс в актанті означає, що в ньому використовуються прийменники: у, на, по (рис. 6).

Рис. 6. Схема фактографічного об'єднання

В процесі логічного виводу на ССМ для опису зв'язків між семантичними структурами з різними іменами предикатних виразів використовуються також В-аксіоми. Виділяються дві підмножини аксіом відносин еквівалентності (через ідентифікатори дії – синоніми), що виражають властивості, і властивість симетрії семантичних структур з різними іменами предикатів (через ідентифікатори дії – антоніми). У завершальній частині розділу приводяться алгоритми функціонування формально-логічних засобів при зміні структури моделі проблемної галузі. Вищенаведене є методом семантичної обробки вхідних виразів, який складається зі структури запитів та алгоритмів обробки та дозволяє розширити клас запитів до системи підтримки прийняття управлінських рішень. Детальніше розглядається логічний вивід і процедури пошуку в ССМ.

П'ятий розділ присвячено питанням практичної реалізації інтерактивних систем в органах керування МНС України. У даному розділі розроблено варіант системи керування на основі запропонованих формально-логічних засобів.

Для демонстрації працездатності запропонованих моделі та методів розглянута система керування підрозділом МНС при ліквідації пожежі. Приклад понятійної структури даної моделі наведено на рис. 7.

Рис. 7. Понятійна структура моделі функціо-нуван-ня підрозділів МНС
при ліквідації пожежі

Основними поняттями в цій структурі є: "Підрозділ МНС" (ПДР); "Організації, що охороняються" (ОхрОрг); "Аварійні підрозділи організацій" (АПОрг); "Розрахунок АПОрг" (Розр); "Аварійно-рятівний загін" (АРЗ); "Група АРЗ" (ГРАРЗ); "Розрахунок АРЗ" (РАРЗ); "Об'єкти, що охороняються" (ОхрОб). У структурі містяться додаткові поняття: "Дорога" (Д); "Об'єкт" (О); "Завал" (ЗВ); "Пожежа" (ПЖ). Всі поняття пов'язані з своїми прикладами переривистою лінією (SI-відносини). SQN-відносини між поняттями показані безперервними лініями.

Семантичні відносини в СМ показані подвійною лінією. Кожна така лінія позначена ім'ям відповідного предикатного відношення. Припустимо, що в CМ представлені наступні факти: 1) "Завал № 2 знаходиться на дорозі № 3" (предикат R2 -– знаходитися); 2) "Об'єкт № 3 знаходиться на дорозі № 1" (R2 ; 3) "Розрахунок № 2 групи № 1 АРЗ № 1 перевозиться по дорозі № 2" (R42 – перевозити);
4) "Пожежа № 1 знаходиться на ОхрОб № 1 ОхрОрг № 2" (R2); 5) "Розраху-нок № АПОрг відновлює ОхрОб № 1 ОхрОрг № 1" (R48 – відновлювати); 6) "Группа № АРЗ № 2 ліквідовує завал № 2" (R41 – ліквідувати).

На основі введених фактів та розроблених процедур виводу проводиться ініціалізація проблемної макроситуації, виходячи зі сформованого до системи запиту, відновлюються дані, надані у неявному вигляді, проводиться їх перевірка на несуперечність. На завершальному етапі робиться висновок щодо можливого управлінського рішення.

В результаті імітаційного моделювання були визначені залежності оперативності та обґрунтованості рішень від математичного сподівання тривалості ітерацій та часу циклу прийняття рішень для різних заданих верхніх меж циклу прийняття рішення (рис. 8, де М(tіт) – математичне сподівання загального часу ітерацій; tц – час циклу; Pвірн – ймовірність прийняття вірного рішення;
ц = М(tц) / ).

У додатках приведені допоміжні матеріали з доказу коректності введених в основній частині роботи тверджень, а також з практичної реалізації результатів виконаних досліджень та оцінці об'єктивності функціонування органів керування МНС на основі застосування інтерактивних процесів підготовки управлінських рішень.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена рішенню науково-практичної задачі – алгоритмічному та інформаційному забезпеченню систем підтримки прийняття рішень на основі застосування методу побудови стратифікованої семантичної мережі, що дозволяє підвищити оперативність та обґрунтованість прийнятих рішень в СОІС критичного застосування.

До основних висновків дисертаційної роботи віднесено:

1) проведено дослідження існуючих підходів до формалізації завдань керування в ОК СОІС. Зроблено висновок, що існуючі методи прийняття управлінських рішень в ОК СОІС базуються на недостатньо адекватних моделях реальних процесів функціонування ОК СОІС. Неадекватність цих моделей стає причиною суперечностей, що виникають в процесі формування варіантів управлінських рішень, пов'язаних з неповнотою представлення знань та даних. Для вирішення даних питань необхідно розробити метод представлення і обробки знань і даних на основі застосування формалізму стратифікованих семантичних мереж;

2) розроблено математичну модель процесів функціонування СОІС при вирішенні задач оперативного керування, яка відрізняється від відомих моделей тим, що в ній доведено і враховано властивість немонотонності "розширення" структур над множиною підграфів цілей оперативного керування, які стоять перед і-м ОК, залежно від виділення йому додаткових ресурсів, а також формалізована процедура прийняття управлінських рішень в СОІС в результаті застосування запропонованого алгоритму рішення задачі оптимізації прийняття управлінських рішень в і-му ОК;

3) сформульовано, що обов’язковими вимогами до формально-логічних засобів побудови та зміни структури моделей СОІС є наявність логіко-лінгвістичного взаємозв'язку інтенсиональних і екстенсиональних даних про проблемну галузь і реалізація ефективних процедур виводу;

4) для побудови та зміни структури моделей функціонування СОІС запропоновані фор-мально-логічні засоби, що складаються з: –

денотативної семантики формально-логічних засобів підтримки прийняття управлінських рішень в СОІС критичного застосування на основі створення інтенсиональної понятійної структури стратифікованої семантичної мережі і екстенсиональної бази даних у вигляді запропонованих D-таблиць;–

предикатно-актантної структури відносин між об'єктами стратифікованої семантичної мережі на основі розширення глибинних семантичних відмінків Філмора, що визначає систему аксіом логіко-лінгвістичного виводу; –

операційної семантики логічного виводу на понятійній структурі стратифікованої семантичної мережі в результаті введення схем виводу на SQN-,
SI-структурах і D-таблицях за допомогою аксіоматичного представлення закономірностей переходу по універсумах відповідних понять в процесі виводу;– 

засобів керування логічним виводом і підтримки несуперечності екстенсиональної бази даних стратифікованої семантичної мережі на основі введення списків LSA підтримки актуальності фактів і списку сценаріїв дій;– 

способу семантичної обробки вхідних виразів в інтерактивних системах підтримки прийняття рішень СОІС критичного застосування, що дозволив розширити клас запитів до системи;

5) проведено оцінку ефективності застосування інтерактивних систем в органах керування СОІС критичного застосування на прикладі виконання окремих аварійно-рятувальних заходів підрозділами МНС України:– 

розроблені формально-логічні засоби побудови та зміни структури моделей функціонування СОІС критичного застосування дозволяють створити інтерактивні комп'ютерні системи підтримки прийняття управлінських рішень, які підвищують оперативність прийняття даних рішень на 15і їх обґрунтованість на 20в порівнянні з існуючими технологіями прийняття управлінських рішень (без використання систем підтримки прийняття рішень "запит-відповідь"), в умовах часових обмежень циклу прийняття управлінських рішень до 5 хвилин;– 

запропонований спосіб семантичної обробки вхідних виразів в інтерактивних системах підтримки прийняття рішень СОІС критичного застосування дозволив розширити клас запитів до системи в середньому на 15 ;–

запропоновані практичні рекомендації з реалізації формально-логічної обробки інформації на основі розробленого методу ССМ у вигляді елементів спеціального математичного забезпечення процесів інтерактивної взаємодії в інформаційній системі підтримки прийняття рішень по ліквідації аварій в МНС України;

6) результати роботи впроваджені у Метрологічному центрі військових еталонів, м. Харків (акт впровадження від 13.03.2007); у Державному науково-виробничому підприємстві "Об'єднання Комунар", м. Харків (акт впровадження від 14.02.2007); у Міжгалузевому інституті післядипломної освіти при Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" (акт впровадження від 30.01.2007); у Науково-дослідному, проектно-конструк-торському та технологічному інституті мікрографії, м. Харків (акт впровадження від 15.02.2007).

Список ОПУБЛІКОВАНИХ праць ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Паржин Ю.В., Любченко Н.Ю. Исследование процессов управления в организационных системах для разработки информационных технологий построения систем поддержки принятия решений // Радіоелектронні та комп'ютерні системи: Науковий журнал. – 2006. – № 4 (16).– С. 83-86.

Здобувачем сформульовані загальні вимоги до формально-логічних засобів, що розробляються, побудови семіотичної моделі проблемної області в інтерактивних системах підтримки прийняття рішень, запропоновані підходи до аналізу процесів керування в СОІС з метою розробки інформаційної технології побудови системи підтримки прийняття управлінських рішень.

2. Любченко Н.Ю. Функціонування формально-логічних засобів при обробці моделі проблемної області в системах підтримки прийняття рішень в складних організаційних ієрархічних системах // Системи озброєння і військова техніка: Науковий журнал. – № 2 (10). – 2007. – С. 98-101.

3. Любченко Н.Ю. Средства управления логическим выводом и поддержания непротиворечивости экстенсиональной базы данных в системах поддержки принятия решений // Системи обробки інформації: Збірник наукових праць. – Х.: ХУ ПС, 2007. – Вип. 3 (61). – С. 56-60.

4. Паржин Ю.В., Любченко Н.Ю. Технология построения операционной семантики стратифицированной семантической сети для поддержки принятия управленческих решений // Збірник наукових праць ХУ ПС. – Х.: ХУ ПС, 2007. – Вип. 2 (14) – С. 115-118.

Здобувачем запропоновані типи відносин в структурі ССМ, операції безумовного та умовного виборів об'єктів ССМ, визначені понятійна структура ССМ та процедури логічного виводу на понятійній і екстенсиональній структурі ССМ.

5. Паржин Ю.В., Любченко Н.Ю. Математическое моделирование процессов функционирования сложных организационных иерархических систем для формализации процедуры принятия управленческих решений // Системи обробки інформації: Збірник наукових праць.– Х.: ХУ ПС, 2006. – Вип. 9 (58). – С. 72-75.

Здобувачем запропонована структура графів цілей і завдань в СОІС| та методика побудови графа координуючих цілей і завдань, формалізовано вплив зовнішнього середовища, що впливає на об'єкт керування і змінює кількість ресурсів, виділених для досягнення мети оперативного керування, доведена властивість немонотонності "розширення" структур над множиною підграфів цілей оперативного керування.

6. Любченко Н.Ю., Паржин Ю.В. Технология построения экстенсиональной базы стратифицированной семантической сети для систем поддержки принятия решений // Системи обробки інформації: Збірник наукових праць. – Х.: ХУ ПС, 2007. – Вип. 2 (60). – С. 54-57.

Здобувачем запропонована предикатно-актантна структура відношень між об'єктами стратифікованої семантичної мережі на основі розширення глибинних семантичних відмінків Філмора, що визначає систему аксіом логіко-лінгвіс-тич-ного виводу.

7.  Паржин Ю.В., Васильєв Ю.Б., Любченко Н.Ю. Оптимізація управлінських рішень у складних організаційних ієрархічних системах // Системи озброєння і військова техніка: Науковий журнал. – 2006. – № 4 (8).– С. 111-113.

Здобувачем розв'язуються питання формалізації процедури прийняття рішення в СОІС| для визначення умов побудови алгоритмів оптимізації вироблення управлінських рішень.

8. Гіневський М.І., Акімова Ю.О., Кучинський І.І., Любченко Н.Ю. Автоматичний синтез оптимальних варіантів управління за показником складності // Системи обробки інформації: Збірник наукових праць. – Х.: ХВУ, 2004. – Вип. 6. – С. 36-40.

Здобувачем запропонований підхід до синтезу альтернативних варіантів керування та критерій вибору варіанту за коефіцієнтом складності.

9. Можаєв О.О., Рондін Ю.П., Любченко Н.Ю., Кривчач С.Ф. Метод оптимізації структур даних у розподіленій мережі // Системи обробки інформації : Збірник наукових праць. – Х.: ХУ ПС, 2005. – Вип. 6 (46). – С. 114-118.

Здобувачем запропонована процедура виключення надлишкових елементів у іерархичній структурі.

10. Можаєв О.О., Кучинський І.І., Любченко Н.Ю., Ненашева Н.М. Програмно-апаратні засоби автоматизації аналізу і розробки алгоритмічних структур // Системи обробки інформації: Збірник наукових праць. – Х.: ХВУ, 2004. – Вип. ). – С. 171-174.

Здобувачем запропоновані програмні засоби для автоматизації аналізу і розробки алгоритмічних структур, орієнтованих на рішення класу задач, що вимагають великих витрат часу і пам'яті обчислювальних засобів, з метою зниження трудомісткості їхнього рішення.

11. Паржин Ю.В., Любченко Н.Ю. Определение условий формирования структуры стратифицированных семантических сетей // Тези доповідей Міжн. НТК "Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні" (ІКТМ`2006). – Х.: Нац. аерокосм. ун-т "ХАІ", 2006. – С. 343.

Здобувачем сформульовано властивості формалізації процедури прийняття рішень в складних організаційних ієрархічних системах.

12. Клименко А.Н., Любченко Н.Ю. Методы построения семантических сетей в системе поддержки принятия решений // Матеріали XV Міжн. НПК "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я". – Х.: НТУ "ХПІ", 2007. – С 68.

Здобувачем запропоновано спосіб семантичної обробки вхідних виразів в інтерактивних системах підтримки прийняття рішень.

13. Паржин Ю.В., Стасев Ю.В., Любченко Н.Ю. Построение стратифицированных семантических сетей // Матеріали третьої наукової конференції Харківського університету Повітряних Сил ім. І. Кожедуба. – Х.: ХУПС, 2007. – С. 96.

Здобувачем сформульовано підхід до побудови стратификованої семантичної мережі, який є одним із шляхів подальшого розвитку формалізмів семантичного та логічного представлення знань.

14. Паржин Ю.В., Любченко Н.Ю. Формализация процессов управления в организационных системах // Материалы шестой межд. НТК "Проблемы информатики и моделирования". – Х.: НТУ "ХПИ", 2007. – С. 37.

Здобувачем запропоновані практичні рекомендації з реалізації формально-логічної обробки інформації на основі розробленого методу ССМ у вигляді елементів спеціального математичного забезпечення процесів інтерактивної взаємодії в інформаційній системі підтримки прийняття рішень.

АНОТАЦІЇ

Любченко Н.Ю. Метод побудови стратифікованої семантичної мережі для підтримки прийняття управлінських рішень у складних організаційних ієрархічних системах критичного застосування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 – системи і процеси керування. – Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, Харків, 2007.

Дисертаційна робота присвячена рішенню задач підвищення оперативності і обґрунтованості обраних рішень шляхом створення інформаційної системи підтримки прийняття управлінських рішень в складних організаційних ієрархічних системах (СОІС) критичного застосування.

Розроблено метод побудови стратифікованої семантичної мережі (ССМ) для підтримки прийняття управлінських рішень в СОІС, оснований на побудові операційної та денотативної семантики ССМ, яка включає створення інтенсиональної понятійної структури ССМ та екстенсиональної бази даних у вигляді D-таблиць. Стратифікована семантична мережа відрізняється від відомих семантичних мереж запропонованою предикатно-актантною структурою відносин між об'єктами ССМ на основі розширення глибинних семантичних відмінків Філмора, яка визначає систему аксіом логіко-лінгвістичного виводу. Розроблено алгоритм рішення задачі оптимізації прийняття управлінських рішень для відповідних органів МНС України.

Ключові слова: система керування, складна організаційна ієрархічна система, підтримка прийняття рішень, управлінські рішення, стратифікована семантична мережа.

Любченко Н.Ю. Метод построения стратифицированной семантической сети для поддержки принятия управленческих решений в сложных организационных иерархических системах критического применения. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 – системы и процессы управления. – Харьковский университет Воздушных Сил имени Ивана Кожедуба, Харьков, 2007.

Диссертационная