Инструментальные средства для создания систем гибридного интеллекта

Введение . В статье рассмотрена разработка инструментальных средств для создания и использования систем гибридного интеллекта [1; 2]. Описан инструментальный программный комплекс [3; 4] и основные направления его развития. Рассмотрены примеры создания инструментальных средств.

Система гибридного интеллекта. Система гибридного интеллекта (СГИ) – это информационная система с уникальной архитектурой. Для описания архитектуры СГИ воспользуемся понятием «функционально-структурная схема информационной системы», введенным автором в 1987 г. в кандидатской диссертации (см: Бухаров М.Н. Технология программирования для систем автоматизации экспедиционных радиофизических экспериментов : дис. … канд. техн. наук. – М., 1987. – 237 с. URL: . Функционально-структурная схема информационной системы – это перечень подсистем и модулей, из которых состоит система с описанием выполняемых ими функций и взаимодействия между ними в основных режимах работы системы. В докторской диссертации (см.: Бухаров М.Н. Управление человеко-машинными комплексами на основе гибридного интеллекта : дис. … д-ра техн. наук. – М., 2012. – 356 с. URL: автор использует это понятие для определения архитектуры систем гибридного интеллекта на основе процессов.

СГИ на основе процессов создается как иерархическая многоуровневая система. В качестве основы на первом уровне используются библиотеки готовых программ, реализующие исполнительную среду для работы системы. На втором уровне система управления человеко-машинным комплексом представляется состояниями процессов,

аккумулирующими логику работы комплекса, на третьем - совокупностью взаимодействующих процессов, а на четвертом - функциональными подсистемами, реализующими стратегию и тактику управления человеко-машинным комплексом. Основной режим работы СГИ - это управление деятельностью. В этом режиме: функциональные подсистемы (сотрудники и их автоматизированные рабочие места (АРМ)) передают информацию о состоянии деятельности в процессы; процессы в зависимости от поступившей информации выдают те или иные команды в АРМы; АРМы при необходимости транслируют эти команды сотрудникам; сотрудники выполняют команды и передают ответы через АРМы в процессы; процессы в зависимости от ответов, поступивших от АРМов, выдают в АРМы новые команды и т.д.

Инструментальный программный комплекс . Для создания и использования систем гибридного интеллекта был разработан специальный инструментальный программный комплекс [3; 4]. Он состоит из нескольких подсистем: подсистемы описания структуры и логики деятельности, реализуемой системой гибридного интеллекта; репозитория шаблонов систем гибридного интеллекта и их компонентов; банка описаний конкретных систем; подсистемы проектирования и реорганизации систем; подсистемы моделирования и анализа систем; подсистемы генерации информации для настройки систем; подсистемы исполнения систем; архива реализованных проектов; базы знаний по инструментальному комплексу и по методам создания и использования систем гибридного интеллекта на его основе.

Для навигации по компонентам комплекса используется дерево разделов. В каждом разделе хранение информации осуществляется в виде списка документов. При регистрации документа в инструментальном программном комплексе на него заводится карточка. Карточка содержит краткое описание документа. Каждый документ может быть запущен в обработку по своему собственному сценарию обработки. Сценарии обработки документов являются шаблонами, или процессами, для управления которыми в инструментальном комплексе имеются специальные средства.

Для облегчения навигации по проектируемой системе гибридного интеллекта используются интерактивные графические средства. Рассмотрим их на примере навигации по процессу. Процесс представляется графически в виде ориентированного графа. Вершинами графа являются состояния процесса, а дугами - переходы между состояниями. Если из какого-либо состояния процесса возможен переход в два или более состояния, то переходы обозначаются пунктирной линией. Одно из состояний процесса помечено - это рассматриваемое (активное) в данный момент состояние. Щелчок по нему мышкой открывает диалог «События» с информацией о событиях данного состояния, в котором можно выбрать любой диалог и перейти в него из иерархии диалогов проектирования системы гибридного интеллекта.

Для визуализации результатов моделирования системы гибридного интеллекта используются таблицы, двумерные графические схемы и трехмерные анимационные сцены. Накопление информации о модели происходит в специальной базе данных. Причем, визуализация этих данных может проводиться как в процессе моделирования, так и после окончания моделирования.

Разработанная модель деятельности организации полностью представлена в компьютере и может анализироваться как компьютерными программами, так и специалистами. В то же время, модель может исполняться компьютерными программами и исполнительными механизмами (приборами) и/или сотрудниками, реализуя управление деятельностью. По мере накопления опыта работы сотрудники организации и программы исполнительной системы процессов могут изменять и совершенствовать процессы и объекты, что немедленно отражается в модели работы организации. Консультанты и аналитики тоже непрерывно анализируют модель и работают над ее совершенствованием. Все улучшения модели также немедленно поступают в практику управления работой организации.

Серия «Сложные системы …». Выпуск 1

Классификация инструментальных средств . Все компоненты инструментального программного комплекса по назначению можно разделить на следующие группы:

– исполнительные системы;

– графические редакторы;

– языки программирования;

– языки моделирования;

– отладчики;

– мастера;

– шаблоны;

– генераторы;

– пакеты подпрограмм;

– другие инструментальные средства.

Кратко охарактеризуем инструментальные средства из каждой группы.

Исполнительные системы . В системе гибридного интеллекта используются два типа исполнительных систем: исполнительные системы процессов и исполнительные системы автоматизированных рабочих мест.

Исполнительная система процессов позволяет загружать процессы в память, запускать на исполнение, приостанавливать/продолжать, останавливать и выгружать процессы из памяти.

Исполнительная система автоматизированных рабочих мест является интегратором функций и позволяет организовать меню для выбора и запуска на исполнение функциональных модулей, реализующих отдельные функции.

Графические редакторы . Для более наглядного описания процессов и автоматизированных рабочих мест используются специальные программы – графические редакторы. Графический редактор позволяет в графической форме описать структуру процесса на уровне подсистем, процессов, состояний и событий. Также графический редактор позволяет в графической форме изобразить функционально-структурную схему автоматизированного рабочего места и модели, заменяющей его при отладке или исследовании деятельности.

Имеется возможность сворачивать более низкие уровни представления для концентрации внимания на отдельных частях структуры системы гибридного интеллекта.

Языки программирования . При создании систем гибридного интеллекта используются следующие языки программирования:

Free Pascal и Object Pascal;

Java Script;

Visual Basic for Applications;

PHP;

C и C++;

C# и др.

На этих языках программирования написаны компоненты инструментального программного комплекса.

Языки моделирования . Для промежуточного хранения описания процессов используется специально разработанный язык, похожий на язык XML. С помощью этого языка записываются группы взаимодействующих последовательных процессов – подсистемы, описывающие модель деятельности, реализуемой системой гибридного интеллекта.

Другие языки моделирования используются для описания моделей автоматизированных рабочих мест при отладке и исследовании систем гибридного интеллекта.

Отладчики. Система гибридного интеллекта – это сложная система, требующая отладки и тестирования. Отладчики позволяют устанавливать точки останова в процессах. При выполнении процессов в режиме отладки в точках останова происходит приостановка исполнения всех процессов. В точке останова разработчику доступны значения глобальных переменных, каналов и других важных параметров системы гибридного интеллекта. Просматривая и изменяя при необходимости значения этих параметров, разработчик собирает необходимую информацию и при необходимости корректирует процессы.

Мастера . Для удобства создания конкретных процессов и других компонентов системы гибридного интеллекта используются специальные диалоговые программы - мастера. Программа-мастер представляет собой последовательность диалогов с разработчиком. Каждый диалог служит для сбора информации о некоторой части разрабатываемой компоненты системы гибридного интеллекта. Например, количество состояний процесса. Обычно программы-мастера используются совместно с генераторами и шаблонами.

Шаблоны . Для облегчения разработки процессов, автоматизированных рабочих мест и других компонентов СГИ используются заготовки описаний, проектов, программ и других форм их представления. Эти заготовки разработчики назвали шаблонами. Шаблоны - это тексты программ или описаний компонентов, размеченные специальными символами и словосочетаниями. Шаблоны обычно используются совместно с генераторами.

После замены специальных символов и словосочетаний значениями параметров разрабатываемого компонента шаблон становится начальной версией разрабатываемого компонента. Как правило, после небольшой ручной доработки разрабатываемый компонент, полученный на выходе генератора, можно использовать в разработке или эксплуатации СГИ.

Генераторы . Для создания конкретных компонентов на основе шаблонов необходимо получить от разработчика информацию для замены в шаблонах размеченных частей на необходимые словосочетания и провести замену. Для получения недостающей информации используются программы-мастера, а замену выполняют программы-генераторы.

Пакеты подпрограмм . Для работы с устройствами и для решения однотипных задач создаются пакеты подпрограмм. Например, для обмена командами и ответами между процессами и автоматизированными рабочими местами используется пакет подпрограмм для работы с каналами.

Другие инструментальные средства . Рассмотренные группы инструментальных средств решают многие задачи, решаемые при создании и эксплуатации систем гибридного интеллекта. Но технология разработки и использования СГИ не стоит на месте. Поэтому появляются новые задачи, и для их решения создаются новые или модернизируются имеющиеся инструментальные средства.

Разработка инструментальных средств, входящих в инструментальный программный комплекс для создания СГИ, находится в разной степени готовности. Одни инструментальные средства разработаны, оттестированы и используются в практике создания и использования систем гибридного интеллекта. Другие - проектируются, для третьих - созданы макеты и т.д.

Примеры инструментальных средств . Рассмотрим примеры конкретных инструментальных средств, используемых для создания СГИ на основе процессов.

Программа-мастер для подготовки описания деятельности . Эта программа состоит из ряда диалогов, в которых разработчик задает параметры деятельности (количество и названия относительно-независимых частей деятельности - подсистем СГИ; количество цепочек работ для каждой выделенной части деятельности и их названия и т.д.). На выходе программы-мастера получается макет описания деятельности на языке моделирования.

Затем разработчик вручную дорабатывает этот макет и отлаживает с помощью отладчика и моделей АРМов в исполнительной модели процессов.

Программа-мастер для подготовки описания цепочки работ . Эта программа состоит из ряда диалогов, в которых разработчик задает параметры цепочки работ (название цепочки работ, количество и названия отдельных работ цепочки, описание каждой работы). На выходе программы-мастера получается описание цепочки работ в формате текстового редактора.

Затем разработчик вручную дорабатывает это описание и использует затем при генерации процесса, соответствующего данной цепочке работ.

Программа-генератор файла настройки панели управления на конкретную модель . При создании систем гибридного интеллекта, например для управления работой роботов [5; 6], отладка ведется на компьютерной модели роботов. Для того чтобы конкретная модель понимала команды, поступающие от панели управления, и давала ответы в формате, понятном панели управления, необходимо провести настройку панели управления, а иногда еще и самой модели. Настройка панели управления и модели осуществляется через специальные файлы – файлы настройки. Вот эти файлы и должна создать программа-генератор. Необходимую для этого информацию программа-генератор получает либо от разработчика, либо из автоматического анализа программ модели и панели управления (рис. 1).

a)

Процесс подсчета бумажек

Состояния процесса

• 1    Ожидание команды подсчитать бумажки

• 2    Подсчет числа бумажек

• 3    Перемещение по комнате вправо

• 4    Перемещение по комнате влево

• 5    Перемещение по комнате вниз

• 6    Перемещение по комнате вверх

• 7    Подготовка и отправка отчета

• b)

Перемещение по комнате вправо

Временные события

Каждую минуту посылать Роботу-Менеджеру сообщение «Подсчитай бумажки вокруг себя».

Цикл

Цикл

_ Каждую минуту посылать Роботу-Менеджеру сообщение «Сделай шаг

Цикл вправо».

Условные события                                                  Цикл

Если от Робота-Менеджера пришло сообщение «При шаге вправо

• 1    встретил преграду, рекомендую перейти в состояние », то перейти в состояние .

Если от Робота-Менеджера пришло сообщение «Подсчет бумажек закончил», то перейти в состояние 7.

c)

Рис. 1. Проект процесса подсчета бумажек роботом: a) граф процесса; b) структура процесса; c) пример состояния процесса

Программа-мастер для создания проекта процесса . Эта программа состоит из ряда диалогов, в которых разработчик задает параметры процесса (название процесса, количество и названия состояний процесса, описание каждого состояния). На выходе программы-мастера получается заготовка проекта процесса в виде, как показано на рис. 1. Программа-мастер в своей работе использует шаблоны из заранее подготовленного множества шаблонов проектов процессов. Выбор наиболее подходящих шаблонов программа-мастер выполняет автоматически в соответствии с заложенными в нее критериями.

Разработчик вручную дорабатывает полученный программой-мастером макет проекта процесса и затем использует его при генерации программы процесса.

Программа-мастер для создания компьютерной модели работы группы роботов . Для отладки программы управления группой роботов используется компьютерная модель работы роботов. Написание такой модели является трудоемким и длительным процессом. Поэтому после создания нескольких десятков таких моделей было решено обобщить особенности созданных моделей. Обобщенная информация о моделях и их параметрах была размещена в специально разработанной для этих целей базе данных моделей. Программа-мастер позволяет автоматически подготовить программу модели, имеющую заданные параметры. Язык программирования, на котором будет подготовлена программа модели, также выбирается разработчиком.

Доработка программы модели выполняется разработчиком вручную.

Программа-мастер для создания функционально-структурной схемы компьютерной модели . Для отладки программы управления организацией или группой роботов используются компьютерные модели автоматизированных рабочих мест и/или устройств (например, роботов). Написание компьютерной модели начинается с разработки ее функционально-структурной схемы (ФСС). Поэтому после создания нескольких десятков таких моделей было решено обобщить их функциональноструктурные схемы. Обобщенная информация о функционально-структурных схемах моделей была размещена в специально разработанной для этих целей базе данных ФСС моделей.

Программа-мастер состоит из ряда диалогов, в которых разработчик задает значения основных параметров модели (названия ролей роботов, количество роботов каждой роли, названия основных режимов работы роботов, описание каждого режима работы и т.д.). На выходе программы-мастера получается макет функциональноструктурной схемы компьютерной модели и ее графической иллюстрации в формате графического редактора.

Доработка ФСС модели и ее графической иллюстрации выполняется разработчиком вручную с помощью графического редактора.

Программа-генератор модели по ее функционально-структурной схеме . Программа-генератор позволяет автоматически построить программу модели по конкретной функционально-структурной схеме модели, подготовленной разработчиком в графическом редакторе. Язык программирования, на котором будет подготовлена программа модели, выбирается разработчиком.

Доработка программы модели выполняется разработчиком вручную.

Графический редактор для создания графического представления проекта СГИ . Графический редактор позволяет легко и быстро построить проект системы гибридного интеллекта в виде графической диаграммы, как показано на рис. 2.

Для концентрации внимания на определенных аспектах проектирования имеется возможность избирательного отображения компонентов системы на диаграмме проекта за счет сворачивания одних и разворачивания других участков диаграммы. Возможность развернуть компонент изображается знаком (+) в начале его названия (см. рис. 2 и 3). В контекстном меню такого компонента имеется пункт «Развернуть», если детальное представление компонента свернуто, и – пункт «Свернуть», если детальное

Рис. 2. Пример графической диаграммы проекта СГИ представление компонента развернуто. Таким образом, выполняя команду контекстного меню «Развернуть/Свернуть», можно управлять уровнем детальности представления проекта в графическом редакторе.

В графическом редакторе имеются средства для добавления компонентов СГИ (подсистем, процессов, состояний, событий) и шаблоны для их описания.

Графический редактор позволяет также создавать шаблоны графических диаграмм проектов систем и в последующем использовать эти шаблоны в качестве основы при проектировании новых систем.

В графическом редакторе также можно создавать графические иллюстрации к функционально-структурным схемам компонентов СГИ, например АРМов (см. рис. 3).

Программа-генератор проекта процесса по описанию цепочки работ . Эта программа использует на входе описание цепочки работ. На выходе программы-генератора получается проект процесса в виде, как показано на рис. 1.

Затем разработчик вручную дорабатывает и использует этот проект процесса при генерации программы процесса, соответствующего данной цепочке работ.

Библиотека подпрограмм для реализации каналов взаимодействия панели управления и модели . Эта библиотека включает три подпрограммы: подпрограмму инициализации каналов, подпрограмму записи в канал, подпрограмму чтения из канала. Библиотека реализована в различных вариантах: для работы в локальной вычислительной сети, в Интернете, на локальном компьютере, в микропроцессоре контрол-

Рис. 3. Пример графической иллюстрации к функционально-структурной схеме АРМа «Аналитика книжного магазина»

лера и др. В конкретных реализациях этой библиотеки подпрограмм используются различные подходы: обмен текстовыми файлами, использование базы данных и др.

На практике разработчики выбирают тот вариант библиотеки подпрограмм и тот подход, положенный в основу реализации выбранного варианта библиотеки, которые больше всего подходят к условиям эксплуатации разрабатываемой СГИ.

Заключение

Небольшой опыт, полученный нами при создании систем гибридного интеллекта [5; 6], показывает, что рассмотренные в статье инструментальный программный комплекс и его компоненты сокращают сроки и снижают трудоемкость создания СГИ. Исчерпывающую информацию о теории систем гибридного интеллекта, инструментальном программном комплексе и его компонентах и их практическом применении можно найти на официальных сайтах:

– ассоциации независимых консультантов в области наукоемких технологий «Интеллект Инвест Центр»;

– научно-исследовательской группы «Оберон»;

– портала дистанционного обучения «Независимый центр знаний».

Серия «Сложные системы …». Выпуск 1