В заключение книги еще раз представим полученные результаты, сделаем некоторые общие выводы и рассмотрим перспективы развития начатых исследований и разработок.
Отправной точкой для интеграции различных систем моделирования явилась необходимость создания комплексной системы поддержки принятия решений, которая по своей структуре и задачам приближена к ситуационному центру. Ильин, ссылаясь на зарубежных экспертов, формулирует пять основных недостатков СЦ, которые необходимо преодолеть в ближайшем будущем [СЦ-ПиР, 2002]: трудоемкость поиска данных и извлечения знаний; многочисленность и разнородность СППР; трудность взаимодействия персонала; потеря ноу-хау после принятия решения; отсутствие БД наработок и эффективных решений.
Разработки, описываемые в книге, направлены на преодоление второго и в некоторой степени первого и третьего недостатков. Преодолеть четвертый и пятый недостатки можно за счет протоколирования и последующего анализа работы СЦ. Среди разработок в этом направлении можно отметить экспертную базу знаний управленческих решений, которую предлагает Agfa Delano.
Создание комплексной (универсальной) системы моделирования требует включения в нее не только ситуационного, имитационного и экспертного подхода, но и ряда других. Актуальным является использование нейросетевых технологий, генетических алгоритмов, эволюционных вычислений, аппарата нечеткой логики, методов нейро-лингвистического программирования, семиотического управления и др. В настоящее время ведутся активные работы по интеграции этих подходов. Более того, в работе [Кудряшов, 1999] отмечается необходимость интеграции множества СЦ отдельных ведомств и министерств государства. Объединение новых классов СППР является одной из самых перспективных и насущных тенденций развития СЦ.
Выбор первоначальных трех классов систем для интеграции обоснован несколькими причинами. Во-первых, экспертные системы и моделирующие комплексы являются самыми распространенными СППР, используемыми в СЦ. Во-вторых, рассматриваемые подходы моделируют три стороны человеческого интеллекта: ЭС — накопленный опыт, СИМ — способность выстраивать, имитировать и анализировать модели, ССМ — механизм абстрагирования, способность человека выделять из большого количества данных наиболее важные и обобщенные характеристики.
Необходимость и эффективность интеграции систем моделирования проявилась во время исследований с еще одной стороны. Объединение систем не только расширяет возможности пользователя, но и позволяет избавить от некоторых серьезных недостатков. ЭС и ССМ могут значительно сократить время моделирования за счет свертки и уменьшения количества имитаций. СИМ может служить источником извлечения и проверки знаний в ЭС.
Для рассмотрения вопросов, связанных с интеграцией, был проведен анализ более 150 печатных и электронных публикаций. Он показал, что проблемы интеграции систем моделирования проработаны крайне слабо и количество статей, посвященных этому вопросу, незначительно. Обзор литературы выявил также, что существует некая “размытость” в определении ситуационного, имитационного моделирования и экспертных систем. В первой главе представлена попытка преодоления этого недостатка: определены классы систем, используемые методы и подходы. Выделен класс систем ситуационного моделирования.
В настоящее время существует необходимость расширить и уточнить классификацию ССМ в связи с появлением большого количества новых систем и возникшей тенденцией именовать ситуационными центрами все системы, в которых, так или иначе, фигурирует понятие ситуации. Само понятие СЦ расширилось и утратило свои достаточно четкие рамки. Это вызвано отсутствием устоявшихся научных терминов, широко известной литературы по СЦ и, как отмечает Скворцов [СЦ-ПиР, 2002], увеличением имиджа организации при наличии у нее СЦ.
Анализ ситуационного, имитационного и экспертного подходов к моделированию выявил их тесную взаимосвязь. Несмотря на это, на сегодняшний день не существует широко известных гибридных моделей и специальных методов, которые объединяют все три рассматриваемых направления, но имеется небольшое количество статей, где затрагивается вопрос интеграции СИМ и ЭС. В некоторых из них, из-за нечеткого определения терминов, имитационная модель приравнивается к экспертной, а моделирование рассматривается только со стороны проектирования.
Важно отметить еще один момент. Одной из тенденций развития ЭС реального времени является создание модуля генерации исходных данных, который имитирует работу наблюдаемой (внешней) среды. Этот модуль часто называют системой имитационного моделирования, а его сочетание с ЭС — динамической интеллектуальной системой [Осипов, 2002] или гибридной ЭС. Такое понимание СИМ несколько отличается от принятого в книге. СИМ предназначена для проведения серии экспериментов в СМО и проверки ее основных показателей (длины очереди, пропускной способности, скорости движения транзактов). Модуль имитационного моделирования ЭС чаще всего представляет собой набор “виртуальных” датчиков, в большинстве случаев не связанных между собой и функционирующих по строго определенным физическим законам. Такая СИМ не может выступать в роли СППР, и ее можно отнести к классам систем физического, математического или геометрического моделирования.
Во второй главе представлена обобщенная методика интеграции систем моделирования. Конкретная методика должна учитывать множество факторов: причины, определяющие необходимость интеграции; степень автоматизации; используемые АСУ; специфику предметной области и т.д. Создание универсальной методики или даже методологии интеграции является одной из важнейших задач. В рамках книги на основе накопленного опыта предлагаются лишь некоторые из всех возможных решений.
Методика разбивается на несколько этапов, которые последовательно раскрываются во второй, третьей и четвертой главах. В пятой главе предлагаются некоторые решения для адаптации методики к особенностям полиграфической предметной области.
Интеграция трех компонент может быть выполнена самыми различными способами: одна из систем может доминировать над другими, включать в себя одну или две другие; управлять взаимодействием и т.д. Самым интегрированным вариантом является создание единой системы, которая обладает всеми возможностями ситуационного, имитационного и экспертного подходов. Самым простым вариантом является разработка интерфейса взаимодействия (шлюзов) между существующими программами. В книге представлены наработки по использованию этих двух крайних вариантов.
СЦ чаще всего создается под конкретную задачу, для использования в определенной среде. Это вызвано сложностью и высокой стоимостью его разработки. ЭС и СИМ существуют в виде универсальных пакетов (конструкторы ЭС и СИМ общего назначения). Для уменьшения стоимости и времени создания программного комплекса выгодно использовать существующие программы.
Во второй главе подробно рассматриваются варианты взаимодействия ЭС и СИМ. Исследуется вопрос минимизации временных задержек при передаче данных. Результаты анализа могут быть обобщены на взаимодействие любых двух систем. Кроме того, некоторые аспекты совместной работы систем достаточно широко рассматриваются в литературе по DCOM и CORBA технологиям, распределенным БД и др. Именно поэтому, варианты взаимодействия ЭС и ССМ, СИМ и ССМ с этой точки зрения не описываются.
В результате анализа выделено пять вариантов, зависящих от степени автоматизации передачи данных и управления. Самым удобным является вариант полной интеграции двух систем, однако, в случае использования ненадежных каналов передачи данных наименее автоматизированный вариант является преимущественным. В качестве оптимального варианта может выступать такая организация систем, при которой существует возможность передавать информацию на различных уровнях автоматизации в зависимости от ситуации.
В универсальном виде рассмотрена реализация алгоритмов последовательного, параллельного, последовательно-параллельного взаимодействия. Помимо них выделено три группы специфических алгоритмов, которые могут использоваться при интеграции ЭС и СИМ: справочная функция ЭС, функция извлечения знаний СИМ, функция свертки ЭС. Алгоритмы приведены в общем виде. Одной из задач дальнейшей разработки вопросов интеграции систем моделирования является написание более подробных алгоритмов и подробное их изучение.
Особенностью ЭС и СИМ является то, что они часто могут быть использованы для решения одних и тех же задач. В связи с этим выделяется взаимозаменяющая и взаимодополняющая интеграция. Для выбора одной из систем в книге предлагается несколько критериев, основанных на времени качестве решения задач. Критерии не являются универсальными и могут быть усовершенствованы.
Основной сложностью при передаче данных от одной системы к другой является их интерпретация. В книге исследованы математические преобразования, которые необходимы для передачи элементарных параметров между ЭС и СИМ. На примере характеристик времени выделены простое, количественно-качественное, равномерное и неравномерное преобразования. Особо рассматриваются возможные способы передачи данных о состоянии, событиях, статистических данных и элементарных параметрах СИМ.
Исследования и полученные результаты достаточно полно охватывают спектр задач, который необходимо решать при интеграции ЭС и СИМ. Тем не менее, множество вопросов остается за рамками книги. Их решение является следующим шагом в разработке методологии интеграции систем моделирования.
Третья глава книги посвящена созданию ситуационной модели и языка взаимодействия с ней. Подробное рассмотрение именно этой компоненты вызвано тем, что математический (формальный) аппарат ситуационного подхода очень мало представлен в литературе. Часто при описании структуры СЦ ситуационную модель называют имитационной. Вследствие этого ситуационное моделирование отождествляют с имитационным. СМ в первую очередь подразумевает использование понятия ситуации, которое нужно четко отличать от таких понятий как событие, процесс и состояние. Если система только отображает информацию, и понимание ситуации складывается исключительно у субъекта, то она (система) не отличается от следящих систем. Любую программу, где создается модель или устройство, которое транслирует реальные объекты, можно называть СЦ или ситуационной комнатой. СМ должна каким-либо образом хранить или определять информацию о ситуации. Это значит, что в СМ должна храниться обобщенная информация. Языки визуализации, которые используют когнитивную графику, также можно считать ситуационными, если они с помощью графических элементов обобщают данные (группу показателей).
Создание ситуационного языка не представляет собой большой сложности. Это наглядно демонстрируется на примере использования предикатной логики путем добавления в нее ситуационных расширений. Главная сложность состоит в разработке механизмов (правил) определения ситуаций и автоматизации этого процесса. С точки зрения визуализации перед разработчиками стоит проблема преодоления ограниченности канала восприятия у человека.
При интеграции ССМ с уже разработанными системами следует выбирать такую модель представления знаний и такой язык взаимодействия, которые обеспечат максимальную совместимость. Семантические сети и логика предикатов лучше всего подходят для интеграции с ЭС. Продукционное представление наиболее удобно для взаимодействия с СИМ. В книге не предлагаются новые модели, языки и методы построения СМ, а демонстрируется использование существующих подходов.
Особенностью предлагаемой СМ является ее ориентированность на полиграфию. В литературе не существует описаний полиграфических моделей такого типа. Это в равной степени относится и к размерности модели и к средству описания. Следует отметить, что применение модели и ситуационного языка на практике может потребовать внесения изменений. В работе предполагается, что определение ситуаций осуществляется субъектами до поступления информации в СМ. Разработка базы знаний правил для автоматического определения ситуаций на рынке полиграфических услуг является одной из перспективных и наиболее трудных задач.
Еще одним важным результатом создания СМ и ситуационного языка является возможность проведения аналитических расчетов для проверки эффективности ситуационного моделирования. Обычно ситуационный подход рассматривается в рамках создания СЦ или ССУ, что подразумевает использование различных СППР. Таким образом, эффективность СЦ с точки зрения интегратора различных возможностей достаточно очевидна. В книге впервые делается попытка аналитической оценки ситуационного подхода самого по себе. С помощью расчетов показано, что зависимость времени выполнения запроса от размерности системы при стандартном подходе имеет вид прямой, а при ситуационном — логарифмической кривой. Однако вычисления носят приближенный характер, так как рассматривают сильно упрощенный пример.
В четвертой главе описывается вариант полной интеграции систем моделирования, который может быть использован при разработке всех компонент СЦ. Для этого предлагается интегрированная (SIE) модель описания для имитационных, ситуационных подходов и языков представления знаний в ЭС. Эта часть книги является объективно самой спорной, так как в ней предлагается множество новых определений.
Большинство элементов SIE-модели построены на основе общепринятых и широко известных определений, приводимых в литературе. Формирование множества понятий осуществлялось постепенно от более простых к более сложным. Сами определения неоднократно корректировались при участии ведущих специалистов в области имитационного, ситуационного моделирования и экспертных систем.
Основное назначение SIE-модели заключается в интегрированном и формально-точном описании систем с помощью различных подходов. В книге также приводятся правила использования модели для моделирования. Однако они носят обобщенный характер и требуют дополнительной проработки. Вполне возможно, что ориентация на моделирование (симуляцию) изменит SIE-модель. Эти изменения могут носить следующий вид: более точно определятся свойства элементов, появятся новые объекты, усложнится характер взаимодействия уровней и отдельных элементов.
В рамках создания SIE-модели существует задача о формировании правил преобразования описаний, выполненных с помощью других моделей и языков. Частично эта задача решена на уровне графического языка SIE-модели. Однако, утверждение о тождественности SIE-модели и другого языка моделирования требует проверки справедливости всех соответствующих аксиом, теорем и правил, а также исследования их влияния на параметры элементов и связи с другими объектами.
В настоящее время осуществляется разработка системы SIE-моделирования, на основании которой можно будет более обосновано судить об эффективности и правильности SIE-модели. Важно еще раз подчеркнуть, что необходимость в создании интегрированной модели появилась из-за неудовлетворительных результатов взаимодействия систем на основе существующих подходов. SIE-модель строилась при решении конкретных задач с использованием определенных систем, поэтому она имеет некую “полиграфическую специфику”.
В пятой главе рассмотрены вопросы адаптации методики интеграции к предметной области. В литературе наиболее широко представлены аналитические модели полиграфических систем. Одной из важнейших задач создания полиграфического СЦ является разработка методов преобразования аналитических моделей в имитационные, ситуационные или экспертные. В процессе анализа на возможность применения ТМО в полиграфии отмечаются серьезные ограничения, вызванные наличием в СМО динамически изменяемых приоритетов, сильной неоднородности заявок, большого числа субъектов, трудностей в определении потоков и т.д. Такое обилие ограничений требует перепроверки полученных результатов и поиска возможностей их преодоления. В работе предлагаются некоторые решения и исследования в этом направлении.
Для реализации некоторых особенностей предметной области предлагаются новые разработки в области имитационного моделирования и экспертных систем: технология виртуальных транзактов и стратегия отказов. В целом можно отметить, что полиграфическое производство имеет ряд отличительных черт. Их реализация в системах имитационного или экспертного моделирования общего назначения крайне затруднительна. Для описания полиграфических процессов требуется разработка специализированного программного и технического обеспечения.
Во второй части книги приведен обзор некоторых современных СИМ, ЭС и СЦ. Большое внимание уделяется полиграфическим автоматизированным системам. Описания систем приводятся в основном на уровне отдельных характеристик, общей структуры (для СЦ) и основных возможностей. Алгоритмы реализации, количественные данные по использованию и внутренние структуры программ являются закрытой информацией, поэтому все собственные разработки проводились с “нуля”.
Созданные системы (СИМ допечатных процессов и ССМ) являются макетными разработками, т.е. не предназначены для промышленного и коммерческого использования. Опыт разработки программных комплексов позволил выявить ряд вопросов, которые были решены с теоретической стороны. Некоторые технологии не удалось реализовать на практике по причине высокой трудоемкости. Несмотря на незавершенность некоторых практических разработок, они сыграли важную роль в подтверждении теоретических результатов и оказали серьезное влияние на направленность исследований.
Рассматривая книгу как результат проведенного исследования, можно, с одной стороны, отметить его завершенность. Почти все поставленные задачи удалось реализовать. Проведенные эксперименты подтвердили большинство исходных предположений. С другой стороны, исследование показало, что существует необходимость в дополнительных разработках алгоритмов, методов, методик, критериев, которые можно объединить в общей методологии интеграции систем моделирования.
Все рассмотренные в книге вопросы открыты для обсуждения и автор готов в нем участвовать. Замечания, предложения, информацию и вопросы, как по материалу книги, так и смежным темам можно присылать по адресам fil@ics.bmstu.ru и philippovich@list.ru.