Нечітке метакерування у ГКІС

Концепція нечіткого метакерування. Підхід, який далі розглядається, не є протиставленням більш загальним схемам розподіленого штучного інтелекту, які детально розглядалися в розд. 4 і 9 і які ефективно розв’язують складні та універсальні задачі. В розглядуваному випадку ідея полягає в тому, щоб, розглядаючи нечіткі керуючі компоненти (НКК) як складні системи, використати переваги нечіткого підходу до керування роботою самих НКК. При цьому завдання нечіткого метакерування полягає в динамічній побудові з існуючих функціонально-спеціалізованих блоків таких конфігурацій, які якнайкраще відповідають поточному стану об’єкта управління — ГКІС (рис. 12.5, контур метакерування виділений жирною лінією).

Реалізація цієї ідеї можлива за допомогою побудови гнучкої інтелектуалізованої мульти-модульної конфігурації (ГІММК), особливостями якої є:

• використання модулів різних типів;
• високий ступінь паралелізму;
• децентралізоване структурне та параметричне метакерування в рамках НКК.

Модульна структура НКК формується з множини пов’язаних між собою модулів. На вхід НКК (рис. 12.5) надходить множина значень вхідних змінних від деяких зовнішніх джерел (визначають інформаційне поле агрегатних станів системи). Фаззі (F)-перетворювач (“чіткий → нечіткий”) трансформує V^x у множину факторів (є нечіткими множинами, заданими на значеннях вхідних змінних) з відповідними факторами достовірності (ступенями належності) Дефаззі (D)-перетворювач (“нечіткий → чіткий”) трансформує множини своїх вхідних факторів і відповідних факторів достовірності у множину значень керуючих змінних (детально процедури фаззі-перетворення розглядалися у розд. 4 і 10).

 

Рис. 12.5. Загальна модульна структура ГІММК

Компоненти ГІММК і їх взаємодія в процесі функціонування. Функціонування ГІММК формується із загального внеску її компонент (на рис. 12.5 вони символічно подані модулями з продукційних правил (ПП), експертних систем (ЕС), нейросітками (НС) — об’єктами інтелектуалізованого вибору (ОІВ), числовим процедурами (ЧП), об’єктами побудови графіків (ОПГ) для візуалізації результатів моделювання та поліпшення умов проведення експертного аналізу, а також модулем реалізації (МР), якщо експерт робить висновок про необхідність запровадження додаткових правил, обмежень тощо. Базуючись на вхідних даних і меті керування, ГІММК виробляє на виході у прийнятних часових межах набір керуючих значень W (Y ₁) – W (Y_m).

Прийнявши за H, G відповідно набори (імена) вхідних і вихідних змінних, а за Z — набір з усіх змінних (включаючи вхідні і вихідні), що беруть участь у міжмодульному інформаційному обміні а також враховуючи, що структура ГІММК формується з множини пов’язаних між собою модулів, тоді, використовуючи множину компонент із сенсорів (вхідних стосовно цього модуля і дій (вихідних стосовно до формальний опис і -го модуля можна подати у вигляді:

де T_i — тип модуля (ЕС, НС, ЧП і т. п.); D_i — тип умови для активації (наприклад, D ₁ — зміною вхідних даних модуля; D ₂ — естафетною умовою, тобто завершенням поточного прогону визначених попередніх модулів; D ₃ — незалежною активацією, в тому числі згідно з часовим законом; D ₄ — у відповідь на запит від іншого модуля, і так далі); V_i, W_i — набори вхідних і вихідних змінних модуля M_i відповідно; B_i, E_i — набори розташованих вище стосовно M_i (чиї вказівки він виконує) і підпорядкованих (стосовно M_i) модулів відповідно.

При цьому:

а ситуація ç B_i ç>0 є допустимою. Крім того, для відображення факту можливості активізації розв’язком інших модулів, вважаємо, що значення спеціальної “перемикальної” змінної визначає стан (“активний”, “очікування”) модуля M_i.

Зазначимо також, що модулі ГІММК можуть характеризуватися: використовуваною моделлю — N ₁ (тобто НС, ПП, ЧП тощо); типом подання — N ₂ (наприклад, числовий, символічний або більш детально: фреймовий, семантичний і т. д. Зрозуміло, що N ₁ і N ₂ тісно пов’язані); особливостями виконання — N ₃ (як окремі фізичні (мікросхеми, комп’ютери) або віртуальні об’єкти (в межах тієї ж програми), і так далі).

Тип N ₂ передбачає необхідність проміжних перетворень даних, інтеграцію множин числових значень і формування символьних умов для логічного виведення, а також навпаки — перетворення фактів (виведень) у числові значення (у разі нечітких подань це відповідає перетворенням “чіткий → нечіткий” і “нечіткий → чіткий” відповідно). Ці перетворення можуть бути або “вбудованими” у загальне функціонування модуля, або виконуються спеціальними процедурами трансформацій. Сам модуль, у свою чергу, може також мати модульну структуру. Зокрема, для реалізації перетворень“нечіткий → чіткий”, наприклад, за наявності невизначеності при ідентифікації агрегатних станів ГКІС такий модуль може виконуватися у вигляді фаззі-контролера, спрощена структура якого подана рис. 9.16, а принцип функціонування детально розкритий у розд. 4.

Кожний такий модуль M_i формується з множини специфікацій SP якісних правил наприклад, у формі “ЯКЩО” вихідному АС відповідає множина X значень вхідних змінних, “ТО” відкликовій реакції вектора керування у фазовому просторі відповідає множина Y, через що для математичної обробки таких правил необхідні операції взаємодії між окремими нечіткими множинами, які належать до частини “ТО”. Як наголошувалося в розд. 4, для фаззі-контролерів продукування розв’язків у таких випадках характеризується взаємодією вхідних і вихідних функцій належності (ФН), причому, операції “І” та “АБО” використовуються як зв’язування у правилах, якщо вони застосовуються у множинах, елементи яких належать до різних основних множин.

Після операцій фаззіфікації, логічного розв’язання, дефаззіфікації (див. розд. 4.4) визначається результуюча функція ФН (4.8), яку для нашого загального випадку запишемо як

де кількість правил; величина істинності частини “ЯКЩО” у k -му правилі; функція ФН частини “ТО” k -го правила.

При дефаззіфікації можна використовувати будь-який з методів зведення до чіткості, розкритих у розд. 3.4, проте найчастіше застосовують “центроїдний метод”, який полягає у визначенні значення абсциси положення G _ц центра ваги площі, що лежить під графіком вихідної ФН (див рис. 3.4 і рис. 9.16, етап D -перетворення).

Міжмодульна взаємодія у ГІММК. Взаємодія між модулями характеризується їх типом і статусом і в загальних рисах пояснювалася в розд. 6.3 і 6.4.

Для взаємодії модулів різних типів характерними є:

· випадок Е 1, коли модуль M_k (являє собою автономну прогнозуючу ЕС) звертається до модуля M_l (відповідає за числову процедуру, яка активізується як права частина деякої продукції у M_k) для того, щоб розрахувати імовірність деякої події:

· випадок Е 2, коли модуль M_i (є числовою оптимізаційною процедурою) звертається до M_j (є продукційною ЕС) за допомогою у визначенні найбільш вигідного напрямку руху до наступної точки;

· випадок Е 3, коли модуль M_p (являє собою ПІД-контролер) безперервно виробляє керуючі значення, а модуль M_r є НС і призначений для розпізнавання деяких ситуацій і виклику за необхідності відповідного модуля для їх обробки.

Для взаємодії ідентичних (або подібних) за типом моделей відбувається:

· випадок Е 4, коли M_t, M_n — однотипні ЕС, які одночасно розв’язують дві незалежні задачі у загальному процесі керування;

· випадок Е 5, коли деякий, такий, що ґрунтується на продукційних правилах, модуль M_k здійснює подальшу обробку даних, які є результатом виведення у двох попередніх і також побудованих на продукційних правилах модулів M_i і M_j, тоді як останні вже зайняті обробкою наступної “порції” даних.

За статусом модулів взаємодія може бути рівнозначною (див. Е 3, Е 4, Е 5) і скоординованою у вигляді “базовий — підпорядкований” (див. Е 1, Е 2).

В разі необхідності модифікації ГІММК шляхом додавання нового модуля M_i потрібно враховувати відношення D _і інформації на виході цього модуля до даних на виході інших модулів. Якщо D _і = W_i Ç (Ç _j¹i W_i) = Æ, то жодні додаткові дії не потрібні.

Послідовні модифікування шляхом введення нових модулів можуть суттєво ускладнити систему, збільшити витрати на обчислення, призвести до зайвих компонентів і т. ін., проте односпрямована структура та прогнозованість характеру взаємодії забезпечують можливість послідовного визначення загальної залежності “вхід — вихід” у ГІММК шляхом просування уздовж головного потоку даних і з урахуванням характеристик окремих модулів.

Таким чином, враховуючи прагнення забезпечити у ГІММК в основному односпрямований потік активацій, допускаються два типи відхилень від цього правила (рис. 12.6):

1. Звертання (запити) до інших (підпорядкованих) модулів (випадки Е 3, Е 4, які на рис. 12.6 позначені подвійними вертикальними стрілками між модулями M ₃, M ₅ або M_i, M_m).

2. Циклічні повторювання деякого фрагменту (пунктирна лінія на рис. 12.6, модулі

 

 

 

Рис. 12.6. Потоки активації модулів у ГІММК

При такій міжмодульній взаємодії в структурі ГІММК кожний базовий модуль, передавши свої дані на виході іншим модулям, готовий до обробки чергової “порції” даних, не очікуючи на завершення роботи кінцевих (тобто тих, для яких модулів (винятком є модулі, які належать до ітеративно повторюваних фрагментів). За такої інтерпретації різні “шари” модулів одночасно беруть участь в обробці задач, “запущених” вхідними модулями у різні моменти часу; як наслідок, фрагменти ГІММК можуть мати різні середні частоти активації.

Можна розв’язувати й обернену задачу — при відомому загальному законі керування реалізується пошук (синтез) більш простої структури з таким самим виходом. Отже, еволюція ГІММК складається з послідовних і переміжних фаз кількісних (зростаюча конфігурація) та якісних (заміна оптимізуючою структурою) змін.

Сутність метакерування. Метакерування у ГІММК має розподілений характер і охоплює такі дві функції:

1. Базовий модуль (позначимо їх множину через приймає рішення про необхідність підключення до розв’язання задачі деяких інших базових модулів (наприклад, випадок E 3).

2. Базовий модуль динамічно приймає рішення про “важливість” деякого іншого базового модуля стосовно третього модуля (наприклад, модуль динамічно підстроює відповідне вагове значення деякого модуля для модуля причому Зокрема, може для себе оцінити важливість модуля що спостерігається, коли отримує дані про ті самі параметри від декількох модулів, і, таким чином, продукує “інтегральний” результат (це дає змогу підтримувати однозначність керуючих значень на виході).

Означення 12.3. Модулі з функціями метакерування — це модулі, які спроможні приймати рішення щодо активації інших модулів або щодо їх “важливості” (“ваги”).

Множини таких модулів позначаються через причому Як правило, саме модулі є “справжніми” інтелектуальними компонентами у ГІММК (тобто ЕС, НС і т. д.), а не числовими оптимізаційними процедурами. Подібні процедури можуть виконуватися інтелектуальними надбудовами у ДПС — пошуковими модулями із задачами, розкритими у розд. 6.4 і 11.6.

Означення 12.4. Гнучкою інтелектуалізованою мультимодульною конфігурацією є така мультимодульна конфігурація, яка містить модулі з функціями метакерування, які реалізують механізм розподіленого динамічного визначення “важливості” інших модулів з різною природою, формують різні закони керування, забезпечують паралельність роботи модулів різнорідних “шарів” і дають змогу гнучко реагувати на зміни стану зовнішнього середовища шляхом піднастроювання загального виходу згідно з керуванням, яке найбільше задовольняє поточну ситуацію.

Сіткові модулі взаємодії керуючих потоків у модульних структурах НКК. Прийняття рішень в реальному часі в умовах складних швидко змінюваних обставин, які ведуть до зміни АС, можна реалізувати на принципах ситуаційного планування. Для цього структури НКК повинні формуватися із сукупності модулів, які взаємодіють між собою і з зовнішнім середовищем і відображають системи правил для прийняття рішень щодо характерних для того чи іншого АС сполучень та значень інформаційних ознак зовнішнього середовища. Модульність може бути наслідком функціональної кластеризації бази знань, групування правил за пріоритетом їх використання і т. д. Як вже зазначалося, використання правил може мати різну природу: від нейросітки або виділеної частини продукційної бази знань до значень експертної системи. Кожний модуль приймає рішення виходячи з вхідних (сенсорних) даних і/або передумов, які встановлюються суміжними модулями. Стратегії ініціювання модулів можуть бути часовими, подійними або комбінованими, а ініціюючими подіями — зовнішні (зміна сенсорних даних) та внутрішні.