Текст книги "Информационные технологии"

10.2. Этапы создания, прототипы и жизненный цикл экспертных систем

Приобретение знаний под эксперта. Первоначальные знания о проектируемой ЭС получают из учебников, отчетов, опытных данных и т. д. Только после этого когнитолог приступает к работе с экспертом. Используемые при этом методы:

– наблюдения на рабочем месте;

– интуитивный метод (когнитолог сам частично решает задачу);

– интервью, являющееся главным методом.

Применяются также и подметоды:

– обсуждение задач;

– описание задач;

– анализ задач;

– доводка системы (эксперт представляет несколько задач для проверки);

– оценивание системы (оценка производится другим экспертом);

– проверка системы (сравнение с результатами работы другого эксперта системы).

Эволюция экспертной системы (рис. 24 и рис. 25). Пользователи требуют не просто высококачественной работы системы; они хотят, чтобы она была быстрой, надежной, доступной в обращении, чтобы ее сообщения легко понимались, чтобы она «прощала» пользователю ошибки. Для создания такой системы требуется несколько уровней разработки:

1. Демонстрационный прототип. Система решает часть поставленных задач, указывая, что подход приемлем и система осуществима. Срок разработки – около трех месяцев.

2. Исследовательский прототип. Система демонстрирует внушающие доверие результаты по всей проблеме в целом, но обладает невысокой надежностью. Срок разработки – один-два года.

3. Прототип опытной эксплуатации. Система проявляет высокое качество работы при достаточной надежности в условиях опытной эксплуатации. Срок разработки – два-три года.

4. Промышленный прототип. Высокое качество работы и надежность в реальных условиях. Срок разработки – два-четыре года.

5. Коммерческая система. Промышленный прототип, систематически используемый во множестве систем. Срок разработки – шесть лет.

Рис. 24. Задачи моделирования в классическом жизненном цикле

Рис. 25. Компонентно-ориентированная модель жизненного цикла: 1 – начальный сбор требований и планирование проекта; 2 – та же работа, но на основе рекомендаций заказчика; 3 – анализ риска на основе начальных требований; 4 – анализ риска на основе реакции заказчика; 5 – переход к комплексной системе; 6 – начальный макет системы; 7 – следующий уровень макета; 8 – сконструированная система; 9 – оценивание заказчиком

Методология построения экспертной системы. Построение ЭС осуществляется постепенно. Выделяют следующие основные этапы ее эволюции:

1. Идентификация – определение основных характеристик задачи.

2. Конкретизация – поиск понятий для представления знаний.

3. Формализация – разработка структур для организации знаний.

4. Реализация – формулировка правил, воплощение знания.

5. Испытание – оценка правил, в которых воплощено знание.

6. Тестирование – испытание системы на всем комплексе решаемых задач.

ЭС эволюционирует, переходя от простых задач к сложным, последовательно усложняя организацию и представление знаний. Время от времени (когда возникает необходимость ввода новых свойств, которых нельзя достичь исходя из возможностей существующей системы) происходит существенная реорганизация и перестройка всей архитектуры.

Разработку ЭС всегда начинают с идентификации и заканчивают тестированием. Первоначально ее создают для какой-нибудь простейшей подзадачи, на основании которой определяют возможность разработки ЭС в целом. После чего постепенно расширяют круг задач.

Количество шагов получения новой ЭС зависит в основном от квалификации разработчиков и выбранных ими инструментальных средств проектирования. Однако с увеличением числа разработчиков ускорения работы не произойдет; как правило, оптимальное число разработчиков – пять-шесть человек. На этапе формализации выбирают язык построения ЭС (правила, сети, фреймы и т. д.).

На этапе реализации выполняют написание программ требуемого содержания и формы. При переходе от опытной эксплуатации к тестированию расширяют круг задач – включают задачи, под которые система в данный момент не проектировалась, но в первоначальном задании они указаны.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия «экспертная система».

2. Расскажите о назначении и структуре ЭС.

3. Перечислите области применения ЭС.

4. Назовите этапы создания ЭС.

5. Дайте определения понятий «прототип» и «жизненный цикл» ЭС.

Глава 11
Автоматизированные информационные системы

11.1. Структура и состав

Автоматизированные информационные системы (АИС) – это человеко-машинные системы управления, в которых сочетаются технические средства сбора, передачи и переработки информации и автоматизация принятия решений с деятельностью человека в роли оператора, технического работника, работника среднего звена, руководителя, эксперта.

Система – это комплекс взаимосвязанных элементов, действующих как единое целое. Она состоит из:

– структуры (множество элементов системы и взаимосвязей между ними – информационные потоки, идущие в систему или из нее);

– правил поведения (функции, связывающие входы и выходы системы);

– целей и ограничений (процесс функционирования системы, описываемый рядом переменных, часть из которых обычно имеет ограничение).

Для полноценного использования ИС существуют категории пользователей:

– администраторы системы – лица, отвечающие за нее, а также за администрирование всей системы в целом;

– прикладные программисты – непосредственные разработчики системы, которая обеспечивает решение задач;

– системные пользователи – лица, обеспечивающие работоспособность системы и исправляющие мелкие ошибки (не требующие вмешательства прикладных программистов), а также осуществляющие внедрение АС в программу;

– прикладные пользователи – лица, непосредственно использующие систему.

АИС основаны на базах данных систем искусственного интеллекта и экспертных систем. Они ориентированы на работу минимально подготовленного пользователя и стали своего рода стандартом в области прикладного программного обеспечения. В качестве яркого примера можно привести MS Office, куда входят различного класса программы, предназначенные для выполнения широкого типа задач; язык программирования; сервисные программы, обеспечивающие как ввод информации, так и вывод готового результата.

АИС принято разделять на:

– ядро – включает в себя информационное, программное, математическое, техническое, правовое, лингвистическое обеспечение и является средством реализации управления системой;

– функциональную часть – включает в себя весь комплекс экономико-математических и идейных методов, обеспечивающих решение основных задач производственной системы, и является отображением функций и функциональной структуры объекта.

Интеграция – это объединение отдельных звеньев или объектов управления в единый информационный комплекс. Интегрированная АИС представляет собой объединение множества АС в единый комплекс. Как экономический объект она функционирует в целях создания условий для более полного удовлетворения потребностей рынка в той или иной продукции.

Интегрированная АИС – это многоуровневая и многофункциональная автоматизированная система, выработка и реализация решений в которой формируется на основе:

– синтеза функциональной и структурной схем отдельных звеньев объекта;

– сквозных моделей и задач по уровню и горизонтали планирования и по стадиям жизненного цикла изделия и самого объекта;

– объединения разрозненных локальных подсистем в единую систему управления, что обеспечивает совокупный эффект функционирования;

– создания замкнутых взаимосвязанных контуров управления и усиления роли оперативного управления;

– углубления системного и программно-целевого подходов при планировании и анализе работы объекта;

– развития единых норм и нормативов;

– создания разветвленной сети автоматизированных рабочих мест (АРМ) как интеллектуальных терминалов, обеспечивающих программные взаимосвязи для согласованной обработки информации и диалог.

Определение интегрированной АИС показывает, как осуществляется управление каким-либо объектом и что она решает. Управление объектом или системой управления определяется как совокупность организованных человеческих коллективов, состав и порядок функционирования которых направлены на реализацию управленческих решений, основанных на данных учета, анализа и прогноза.

Результаты эффективного внедрения АИС:

– снижение нормативов трудоемкости изготовления продукции;

– насыщение использования фонда рабочего времени;

– сокращение потерь планового фонда времени работы оборудования;

– снижение норм расхода сырья, материалов, электроэнергии, топлива;

– сокращение нормативных сроков производства изделий;

– сокращение длительности производственного цикла;

– экономия в расходовании сырья, материалов и в целом нормируемых оборотных средств.

11.2. Классификация автоматизированных информационных систем

АИС разделяют:

1. По типу хранения данных:

– документальные системы;

– информационно-поисковые системы.

2. По характеру обработки данных:

– информационно-справочные системы;

– автоматизированные информационные системы обработки данных.

3. По степени интеграции данных:

– автономные файлы;

– банки данных.

4. По степени распределенности:

– локальные;

– распределенные.

В организации данных разные структурные определения пересекаются. Поэтому данные, описывающие предметную область, должны храниться в легкодоступном месте.

Данные в АИС характеризуются следующими признаками:

– атрибуты – краткое описание объекта на содержательном уровне;

– ключевой элемент – элемент данных, по которому можно однозначно определить другие элементы;

– запись – совокупность значений;

– файл – совокупность записей данных;

– база данных – совокупность связанных данных конкретной области.

11.3. Функциональная схема

Функциональная схема представляет собой схему управления объектом, где отображаются его функционально-структурная схема, схема управления принятием решений и схема движения информационных потоков. Функциональная схема содержит пять основных блоков:

1. Стратегический контур оптимизации целевой функции (под целевой функцией понимается комплекс моделей и задач, обеспечивающий непрерывную работу объекта в стандартном режиме и при возникновении ошибочных и экстремальных ситуаций). Система управления объектом или деятельностью на административном или управленческом уровне, обеспечивающая формирование набора моделей и задач для нормального функционирования автоматизированной системы (АС).

Задачи данного контура: формирование политики или правил работы системы; формирование целевой функции, на основе которой система функционирует; сборка и обработка нормативной информации; выполнение задач на основе методов имитации для прогнозирования работы системы; принятие решений на основе комплекса вариантов из контура адаптации и развития для настройки целевой функции; подготовка отчетов для вышестоящих органов или уровней и оценка критериев, по которым формируется целевая функция (под целевой функцией понимается набор задач, обеспечивающий работу системы). Таким образом, стратегический контур является блоком планирования работ.

2. Тактический контур организационного управления. Функционально-структурная схема объекта или деятельности, в которой отображается набор функций, связанных с организационными единицами проектируемой деятельности и направлением информационных потоков между функциональными и организационными единицами.

3. Контур оперативно-диспетчерского управления. Работает в одном из двух случаев: либо при отображении в нем функционально-структурной схемы элементов производства, требующих оперативного вмешательства, либо при представлении функционально-структурной схемы функционирования объекта в ошибочной и экстремальной ситуациях.

4. Контур адаптации и развития. Набор задач и функций, необходимых для оценки работы системы и формирования набора вариантов для систем принятия решений; предоставляет информацию для корректировки структуры базы данных.

5. Распределенная база данных. Основополагающий элемент схемы, отвечающий за интеграцию между контурами. Имеет в своем составе централизованную базу данных для первого, второго и четвертого контуров и рабочие базы данных для третьего, обеспечивая тем самым работу системы в случае отказа первого контура. Информация, хранящаяся в рабочей базе данных, доступна только в третьем контуре. Актуализация рабочей базы данных лежит на третьем контуре, а централизованной базы данных – на первом.

11.4. Системный подход в проектировании

При проектировании интегрированных АИС выделяют элементы, которые являются системами, описываемыми, в свою очередь, как комплекс систем управления. При проектировании используется системный подход. Начиная с момента проектирования АС преимущество было отдано системам управления экономико-организационными процессами, которые были наиболее актуальны на протяжении всего периода создания систем. Это привело к нарушению комплексности решения задачи автоматизированного управления всем ходом производства. Необходимо было выявить причины такого положения и создать условия для их устранения на базе интеграции систем. Результатом решения этой задачи и стало появление такого метода анализа системы, как системный подход.

Системный подход – методологическое направление в современной науке, связанное с представлением, изучением и конструированием сложных объектов и систем.

При исследовании проектировщиком многоуровневой иерархии систем, к которым, в частности, относятся и интегрированные АИС, осуществляется анализ способов организации элементов систем в единое целое, взаимодействия процессов и их функционирования в отдельных звеньях управления системой. Такая постановка проблемы позволяет рассмотреть систему с точки зрения управления как целостный элемент, в котором с единых позиций решается совокупность социальных, экономических, научно-исследовательских, проектных, технологических и производственных задач, относящихся к работе системы. По своей сущности любой объект исследования является интегрированной системой.

Однако обеспечение целостности функционирования системы при отсутствии автоматизации достигается за счет использования больших людских ресурсов и материальных затрат. Особенно эти затраты растут при совершенствовании таких обратных связей системы, при которых не обеспечиваются полнота, непротиворечивость и достоверность информации.

Наличие интегрированной АИС позволяет быстро и гибко реагировать на указанные факторы. Развитие информационной интеграции приводит к интеграции технической, в результате чего появляются комплексы технических средств для целей управления, на которых выполняются рутинные операции. Обмен информацией между входящими в интегрированные автоматизированные системы элементами осуществляется автоматически. Эта связь охватывает практически весь цикл управления, включая производственно-хозяйственную, технологическую и проектную сферы.

Создание таких сложных систем невозможно без использования системного подхода, что и определило следующие принципы данного метода:

– рассмотрение системы как целого;

– представление системы совокупностью элементов, имеющих устойчивую связь;

– наличие устойчивых связей, образующих структуру системы;

– выявление структуры системы, обеспечивающей упорядочение последствий;

– возможность существования горизонтальной, или одноуровневой (связь однотипных элементов), и вертикальной, или многоуровневой (иерархической), структуры;

– осуществление связи между уровнями иерархии систем через управление.

11.5. Принципы и виды интеграции

На основе определения интегрированных АИС и свойств интеграции можно выделить следующие основные принципы интеграции:

– иерархическое построение системы с выделением уровней;

– единство централизованного банка данных с совокупностью локальных информационных баз;

– единство формирования информации и многократность ее использования;

– агрегирование и дезагрегирование информации по запросам на всех уровнях организационной структуры (базы данных);

– обеспечение работы информационной системы по отклонениям с целью сокращения информационных потоков и повышения достоверности информации;

– возможность постоянного развития системы.

Реализация принципов интеграции не только открывает возможность совместного функционирования нескольких автоматизированных систем посредством организации согласования входов и выходов, но и обусловливает тенденцию появления внутри системы новых элементов, блоков, узлов, усиливающих адаптацию всей системы.

Существует несколько видов интеграции:

1. Горизонтальная. Обеспечивает охват интегрированным управлением различных видов деятельности систем управления и их элементов. Связывает горизонтальные функции предметов области, существующие только при горизонтальной интеграции, т. е. обеспечивает ведение отдельных функций управления на одном уровне и получение информации относительно взаимосвязи этих функций. Интеграция этого вида способствует повышению качества управления и развитию всех видов деятельности данной интегрированной автоматизированной системы в условиях ограниченных ресурсов.

2. Вертикальная. Охватывает интегрированным управлением различные уровни управления. Достигается с помощью иерархически построенных систем и характеризуется следующей зависимостью: чем ближе к более низким уровням иерархии может осуществляться планирование и программирование всех элементов при высоком уровне интеграции, тем больше вероятность оптимального использования этих элементов. Это свойство способствует оптимизации и централизации функций управления, что позволяет сократить (а в ряде случаев и исключить) координирующие органы на нижних уровнях управления и, следовательно, повысить эффективность управления предметной областью.

3. Пространственная. Обеспечивает интеграцию управления элементов и подсистем интегрированных АС на одном уровне управления. Наибольший эффект дает при реализации на производственно-технологическом и цеховом уровнях.

4. Временная. Предусматривает объединение элементов подсистем и локальных автоматизированных систем, цикл управления в которых реализован в разных интервалах времени. Присутствует в предметных областях, где обработка информации, технологические процессы и предметы управления зависят от времени.

5. Программная. Обеспечивает создание совместного и взаимосвязанного комплекса систем моделей, алгоритмов и программ на базе единой платформы.

6. Организационная. Обеспечивает рациональное сочетание управленческой деятельности различных уровней интегрированной АИС, а также распределение функций управления между аппаратом управления и вычислительной системой как единым целым.

7. Техническая. Предусматривает создание новых комплексных технических средств, объединяющих все технические средства локальных АС в единый комплекс, который обеспечивает эффективное функционирование интегрированной АИС.

11.6. Автоматизированное рабочее место

В качестве основного средства автоматизации информационно-управленческой деятельности выступает персональный компьютер. Свою работу в офисе персонал осуществляет через реализацию различных информационных процессов, т. е. процессов получения, регистрации, накопления, преобразования, генерации, отображения и передачи информации.

Наиболее эффективно ПК используют в сочетании с разнообразными средствами связи (коммуникации). Современные средства коммуникации, разработанные для ПК, предоставляют в распоряжение пользователей (в дополнение к широким возможностям ПК как таковых) возможности доступа к ЭВМ более высокого класса, подключения к глобальным и локальным вычислительным сетям. Последнее особенно важно для офисов, так как обеспечивает переход от автоматизации индивидуальной работы служащих к распределенной обработке данных в условиях взаимосвязанных автоматизированных рабочих мест.

Автоматизированное рабочее место (АРМ) – информационная система управления, оборудованная средствами, обеспечивающими участие человека в реализации функций автоматизированных систем управления (АСУ).

АРМ присущи следующие признаки:

– доступная пользователю совокупность технических, программных, информационных и других средств;

– размещение вычислительной техники непосредственно (или вблизи) на рабочем месте пользователя;

– возможность создания и совершенствования проектов процессов автоматизированной обработки данных в конкретной сфере деятельности;

– осуществление обработки данных самим пользователем;

– диалоговый режим взаимодействия пользователя с ЭВМ как в процессе решения задач управления, так и в процессе их проектирования.

Таким образом, АРМ в системе управления представляет собой проблемно-ориентированный комплекс технических, программных, лингвистических (языковых) и других средств, установленный непосредственно на рабочем месте пользователя и предназначенный для автоматизации операций взаимодействия пользователя с ЭВМ в процессе проектирования и реализации задач.

Множество известных АРМ можно классифицировать на основе следующих обобщенных признаков:

– функциональной сферы использования (научная деятельность, проектирование, производственно-технологические процессы, организационное управление);

– типа используемой ЭВМ (микро-, мини-, макро-ЭВМ);

– режима эксплуатации (индивидуальный, групповой, сетевой);

– квалификации пользователей (профессиональные и практические, т. е. непрофессиональные).

Внутри каждой из выделенных групп АРМ может быть проведена более детальная классификация. Например, АРМ организационного управления могут быть разделены на АРМ руководителей организаций и подразделений; плановых работников; работников материально-технического снабжения; бухгалтеров и др. Деловые АРМ сближают пользователя с возможностями современной информатики и ВТ и создают условия для работы без посредника – профессионального программиста. При этом обеспечивается как автономная работа, так и возможность связи с другими пользователями в пределах организационных структур (с учетом особенностей этих структур).

Параметрический ряд деловых АРМ позволяет создать единую техническую, организационную и методологическую базу компьютеризации управления. Первоначально информационная технология локализуется в пределах персонального или группового АРМ, а в последующем (при объединении АРМ средствами коммуникации) создаются АРМ сектора, отдела, учреждения в целом и формируется коллективная технология. Тем самым достигается гибкость всей структуры и возможность наращивания информационной мощности.

Можно выделить три класса типовых АРМ:

– АРМ руководителя;

– АРМ специалиста;

– АРМ технического и вспомогательного персонала.

Состав функциональных задач и видов работ (административно-организационный, профессионально-творческий, технический) требует применения различных инструментальных средств при создании АРМ. Например, административно-организационная работа – контроль исполнения, анализ текущего состояния дел и планирования работы; профессионально-творческая – разработка документов, анализ информации; техническая работа – получение, передача, хранение, печать документов, сводок, контроль за движением документов.

Для автоматизации каждой категории работ в настоящее время персональные компьютеры оснащены различными типами программного обеспечения (ПО). При разработке ПО АРМ соблюдают принцип ориентации разрабатываемых программных средств на конкретного пользователя, что обеспечивает реализацию функций, соответствующих профессиональной ориентации АРМ. В целом разрабатываемое ПО АРМ должно обладать свойствами гибкости, адаптивности, модифицируемости и настраиваемое™ на конкретное применение. ПО любого АРМ подразделяют на общее и функциональное.