Технологии интегрированных программных пакетов

К настоящему времени существует большое разнообразие специализированных прикладных программных пакетов, ориентированных на эффективное выполнение функций подготовки текстов, выполнение вычислений, работу с базами данных, сетевую обработку информации и т.д. Оптимизация выполнения этих функций определяющим образом влияет на построение соответствующих программных средств, влечет за собой создание специфичных форматов данных, протоколов взаимодействия с пользователем, структур программного обеспечения и т.д.

Вместе с тем, с позиций пользователя совместное применение такого рода специализированных пакетов для решения комплексных практических задач, в рамках которых требуется последовательно-параллельное выполнение всех или некоторых из указанных функций компьютерной обработки информации, оказывается недостаточно эффективным по затратам времени и ресурсов. Эти программные средства дублируют друг друга по целому ряду внутренних служебных функций и процессов обработки. Для размещения совокупности специализированных программ требуется дополнительные объемы памяти. Их совместная работа в силу отсутствия заранее продуманных и спроектированных протоколов взаимодействия приводит к потерям производительности вычислительной системы, а иногда и к снижению качества работы. Вследствие различий в пользовательском интерфейсе дополнительные затраты необходимы для обучения пользователя приемам работы с разнообразными специализированными программными средствами. Требуются значительные усилия со стороны пользователя по информационному сопряжению промежуточных результатов работы различных специализированных систем, сведению этих результатов в общий формат, переходу от одного специализированного программного средства к другому.

Задача устранения дублирования некоторых элементов программных средств в составе совместно используемых на одном участке, направлении работы организации, автоматизированном рабочем месте, в офисе специализированных программных продуктов, автоматизации их взаимодействия, унификации интерфейса с пользователем приводит к принципам интегрированных информационных технологий.

Под интегрированными информационными технологиями понимается взаимосвязанная совокупность группы специализированных технологий с развитым информационным взаимодействием между ними и общим интерфейсом пользователя, при этом интеграция осуществляется на уровне программ, данных, аппаратных средств. Общий интерфейс пользователя позволяет применять одни и те же или весьма похожие приемы работы с различными приложениями пакета (иначе говоря, с разными специализированными технологиями). Общность интерфейса снижает затраты на обучения пользователя. Развитое информационное взаимодействие специализированных технологий означает, что пользователь избавлен от необходимости самостоятельно осуществлять сопряжение форматов, оптимизировать переход от одного приложения к другому, компоновать окончательный результат своей работы и т.д.

Традиционные или полносвязанные интегрированные программные пакеты представляют собой многофункциональные автономные пакеты, в которых сведены в одно целое функции и возможности различных специализированных проблемно-ориентированных пакетов, родственных по технологии обработки данных на отдельном рабочем месте. В рамках такого интегрированного пакета обеспечивается связь между данными, при этом сужаются возможности каждого компонента по сравнению с аналогичным специализированным пакетом. В качестве примера таких пакетов назовем Framework, Symfony, Microsoft Works, Lotus Works.

Объектно-связанные программные пакеты отражают более современный подход к интеграции программных средств и предполагает объединение специализированных пакетов в рамках единой ресурсной базы, обеспечение взаимодействия приложений (программ пакета) на уровне объектов и единого упрощенного центра-переключателя между приложениями. Объектно-связанная интеграция базируется на следующих видах совместного доступа к ресурсам: использование общих для всех программ комплекса утилит; применение объектов, которые находятся в совместном использовании нескольких программ; реализация простого способа перехода из одного приложения в другое; наличие макроязыка – построенных на единых принципах средств автоматизации работы с приложением.

Профессиональная редакция таких пакетов содержит следующие приложения: текстовый редактор, табличный процессор, система управления базой данных, средства телекоммуникаций, программы дистанционной графики. Представители пакетов этого типа: Borland Office for Windows, Lotus, SmartSute for Windows, Microsoft Office. Помимо указанного в состав конкретного интегрированного пакета могут входить и иные программные продукты.

Интегрированные программные пакеты требуют для своего размещения существенно меньшие объемы памяти, по сравнению с набором соответствующих специализированных пакетов. Позволяют достигнуть большей производительности вычислительной системы. Цена комплекта из трех и более приложений, поддерживаемых одним и тем же производителем, значительно ниже, чем суммарная цена, уплачиваемая в случае приобретения соответствующих специализированных пакетов по отдельности.

Интегрированные пакеты являются основой для реализации концепции электронного офиса. Электронный офис – это комп­лексное использование современных технических средств для авто­матизации процедур и функций управления (обработка текстов, их редактирование, хранение и поиск, передача информации по кана­лам электросвязи внутри офиса и за его пределы, информационное обслуживание персонала офиса, некоторые аспекты процесса под­готовки и принятия решения и т. д.), средств программной поддер­жки, подходов к проектированию помещений офиса, охраны труда персонала.

Важное место в составе электронного офиса занимают автоматизированные рабочие места (АРМ). АРМ призвано облегчить и ускорить решение пользователем характерного для него круга конкретных задач. Программное обеспечение АРМ должно отвечать требованиям адаптивности и настраиваемости на применение в соответствии с требованиями пользователя. Оно строится в виде интегрированных много функциональных пакетов прикладных программ, имеющих единый интерфейс пользователя. Типичное АРМ состоит из персонального компьютера, оснащенного необходимым периферийным оборудованием (принтер, ска­нер, графопостроитель и т.д.).

Наиболее распространены следующие выполняемые АРМ в рамках одной программной среды функции: обработка текстов, табличная обработка данных, управление базами данных, деловая графика, поддержка работы в сети, защита информации. В его состав может включаться уникальное программное обеспечение, предназначенное для решения специфичных для конкретного участка работы или конкретного пользователя задач. Широкое применение имеют, в частности, АРМ конструктора, АРМ технолога, АРМ экономиста, АРМ бухгалтера, АРМ разработчика технической документации, АРМ руководителя.

Автоматизированное рабочее место оборудуется обычно в составе локальной сети организации. Имеющиеся в офисе АРМ объединяются по­средством коммуникационных средств в единую систему (сеть), имеющую доступ к вычислительным ресурсам офиса, базам данных, а также к внешним источникам информации.

Практическая реализация концепции электронного офиса по­степенно приводит к изменению стиля и методов управления, пе­ресмотру и перераспределению функций персонала, повышению производительности труда при ведении делопро­изводства.

 

7.9. Компьютерные технологии интеллектуальной поддержки управленческих решений

Рассмотренные выше технологии отражают так называемый алгоритмический (процедуральный или процедурный) подход, кото­рый основывается на математических моделях и интерпретируется как механическое осуществление заданной последовательности шагов, детерминированно приводящей к правиль­ному ответу. Свойственная этому подходу ограниченность не позволяет использовать его при решении огромного класса неформализованных или слабоформализованных задач, требующих применения эвристических, эмпирических знаний и творчества. К их числу относятся зрительное распознавание пространственных сцен, общение на естественном языке, обучение на опыте, постановка новых задач и нахождение алгоритмов их решения, выработка новых понятий, создание новых научных теорий, открытие новых свойств и законов и т.д. В этой связи алгоритмическому подходу противопоставляется эвристический, свойственный человеческому мышлению, для которого характер­но обращение к интуиции, здравому смыслу, опыту, аналогии, а также абстрагирование, возникновение «догадок» о пути решения с последующей их провер­кой и т.д. Этот подход разрабатывается в рамках комплексного научного направления, метафорически обозначаемого как искусственный интеллект.

Искусственный интеллект ставит целью создание программно-аппаратных средства, позволяющих имитировать с помощью компьютера отдельные элементы творческого процесса, свойственного человеку, автоматизировать целенаправленное поведение роботов, обеспечивать диалоговое общение с компьютером пользователей на языке их предметной области, создавать системы, работа которых опирается на знания, формируемые экспертами. Речь идет о решении задач, с которыми специалист справляется, но не располагает для этого строгими математическими алгоритмами в силу неформализуемости соответствующих знаний, отсутствия точных математических моделей. Это научное направление объединяет математиков, лингвистов, психологов, инженеров. Состав дисциплин, относящихся к искусственному интеллекту, постоянно расширяется. В него входят представление знаний, решение задач с использование алгоритмов профессиональной деятельности, экспертные системы, средства общения с ЭВМ на естественном язы­ке, обучение, когнитивное моделирование, обработка визуальной ин­формации, робототехника, нейрокомпьютерные технологии и др.

Считается необходимым использовать два класса знаний экспертов. Вербализуемый опыт специалист может выразить словами в терминах данной предметной области, в виде некоторых общих высказываний и правил, описания конкретных примеров, образцов решений и действий в конкретных ситуациях. Невербализуемый опыт формируется у человека в виде образов, интуитивных предчувствий, предпочтений, предвидений, ассоциативных связей, неосознаваемых реакций. Этот опыт не укладывается в четко осознаваемые человеком правила, принципы, закономерности, связи и т.д. Существует гипотеза, согласно которой описание подсознательного опыта следует осуществлять не столько в контексте описания внешнего поведения человека, сколько «в терминах» нейронных структур человеческого мозга и их связей, обеспечивающих самоорганизацию его деятельности. Составной частью исследований по искусственному интеллекту является разработка экспертных систем.

Экспертная система (ЭС) – это прикладная система искусственного интеллекта, способная получать, накапливать, корректировать знания из некоторой узкой предметной области, выводить новые знания, находить на основе этих знаний решения практических задач, близкие по качеству к решениям экспертов и объяснять ход решения этих задач. Речь идет по существу о компьютерных технологиях интеллектуальной поддержки управленческих решений. Основные функции экспертных систем: интерпретация (классификация, описание ситуации по имеющимся признакам), диагностика (выявление неправильного функционирования системы), прогно­зирование (определение вероятных последствий ситуации), планирование (определение оптимальной последовательности действий), контроль (сравнение результатов наблюдений с ожидаемым результатом), обучение (диагностика, объяснение, корректировка поведения обучаемого), консультирование и управление. Области применения экспертных систем - самые разные: страхование, банков­ское дело, медицина, промышленность, сельское хозяйство, геология, метеорология, юриспруденция, военное дело и т.д. Выходные результаты являются качественными (а не количе­ственными).

Экспертная система состоит из пяти основных частей: базы зна­ний (БЗ), механизма вывода (интерпретатора правил), а также компонентов - приобретения знаний, объяснительного и диалогового. База знаний предназначена для хранения долгосрочных зна­ний, описывающих рассматриваемую предметную область, и вклю­чает в себя рабочую память (РП), которая предназначена для хранения исходных и промежуточных данных решаемой в текущий момент за­дачи, и базу правил, описывающих целесообразные преобразования данных этой области. Механизм вывода, используя исходные данные из РП и знания из БЗ, формирует такую последовательность правил, которые, в результате их применения к исходным данным, приводят к решению зада­чи. Механизм вывода может сочетаться с дру­гими базами знаний для создания новых экспертных систем

Компонент приобретения знаний реализует наполнение ЭС знаниями. Представление знаний - наиболее важная область исследований по искусственному интеллекту. Знания имеют форму описаний объектов, взаимосвязей и процедур. Создание общей теории или метода представления знаний явля­ется проблемой. Объяснительный компонент комментирует, как система получила ре­шение задачи (или почему не получила решения) и какие знания при этом использованы. Это облегчает тестирование отладку системы и повышает доверие пользователя к полученному результату. Диалоговый компонент реализует дружественный интерфейс для пользователя и используется в ходе решения задач, приобретения знаний, объяснения результатов работы.

Построение экспертной системы требует специфичной формы взаимодей­ствия создателя ЭС (программиста - инженера знаний) и экспертов в соответствующей предметной области. Инженер знаний опрашивает экспертов относительно процедур, стратегий, эмпирических правил, которые они используют при реше­нии задач, и встраивает эти знания в экспертную систему. Это весьма длительный и трудоемкий процесс, наиболее узким местом которого является приобретение зна­ний. Существует парадокс экспертизы (инжене­рии знаний), который заключается в том, что чем выше компетентность эксперта, тем меньше его способность описать знания, используемые им для решения задач (эксперты обычно описывают правдо­подобные линии рассуждений, но не те, которыми они действительно пользуются). Технологию построения экспертных систем называют инженери­ей знаний.

Под знаниями в ЭС понимается вся совокупность информации, необходимой для решения задачи, включающая в себя, в том числе информацию о системе понятий предметной области; формальных моделях, на основе которых реша­ются задачи; взаимном соответствии указанных систем понятий и моделей; текущем состоянии предметной области; методах решения задач. В ЭС содержатся три типа знаний:

- статические знания о предметной области (после выявления этих знаний, они не изменяются);

- динамические знания о предметной области, они обновляются по мере выявления новой информации;

- рабочие знания, необходимые для решения конкретной задачи.

Построение базы знаний включает три этапа: описание предметной области; выбор модели представления знаний; приобретение знаний. Наиболее значимые знания для ЭС в настоящее время приобретаются от экспертов. Дополнительные знания могут быть получены из различных источников: книг, научных отчетов, баз данных, эмпирических данных, от инженера знаний и т.д.

Основные модели представления знаний – логические, сетевые, фреймовые, продукционные. Логические модели базируются на формальной логике и рассмат­ривают систему знаний, необходимую для решения прикладных задач и организации взаимодействия пользователя с ЭВМ, как со­вокупность утверждений (формул). Факты представляются в виде формул, составленных средствами некоторой логики (предикатов, многозначной, модальной или иной). Система знаний представляется совокупностью формул. Логические модели могут быть заданы в виде:

L = < B, Р, А, V>, где

B - множество базовых элементов, входящих в состав некоторого набора (могут иметь различную при­роду). Для B существует некоторый способ определения принадлежности к нему произвольного элемента;

Р - множество синтаксических правил, с по­мощью которых из элементов B образуют синтаксически правильные совокуп­ности;

А - подмножество аксиом, выделяемых в множестве синтаксически правильных совокупностей (это те информационные единицы, которые введены в базу знаний извне);

V - множество правил вывода. Правила применяются к элементам А, при этом формируются новые синтаксически правильные совокупности, к которым снова допускается применение правил из В. Таким образом получаются новые знания, про­изводные от исходных.

Преимущества логических моделей: развитый аппарат вы­вода новых фактов на основе тех, что представлены в базе знаний в явном виде, возможность контроли­ровать логическую целостность базы знаний, простота записи фактов. Это определяет интенсивное использование логических методов при создании ЭС. Их недостаток - отсутствие заданных моделью четких принципов организации фактов в базе знаний. Без определения и пос­ледовательного соблюдения таких принципов затруднительным становится их анализ и обработка. Как следствие, логические модели используются, главным образом, в тех предметных областях, где система знаний невелика по объему и проста по структуре.

В семантических сетях предметная область рассматривается как совокупность сущностей (объектов) и отно­шений (связей) между ними и представляется в виде ориентированного графа. Эти сети используют три основных типа объектов: понятия, события и свойства. Понятия представляют собой сведения об абстрактных или физических объектах предметной области. Собы­тия - это действия, которые могут внести изменения в предметную область. Результатом события может стать новое состояние предметной области. Может быть задано некоторое состояние предметной области и поставлена задача отыскания на сети последовательности событий, приводящей к этому состоянию. Свойства используются для уточнения понятий, событий и других свойств. Применительно к понятиям свойства описывают их особен­ности или характеристики (цвет, размеры, качество); применительно к событиям - свойства (продолжительность, место, время и т. п.).

Сетевые модели могут быть заданы в виде:

S = <I, T, G>, где

I – множество информационных единиц;

T – множество типов связей между информационными единицами;

G – отображение, задающее для информационных единиц конкретные связи из заданного множества их типов.

Различа­ют классифицирующие, функциональные, сценарные и семантические сети. В классифицирующих сетях базируются на иерар­хических отношениях между информационными единицами. Функциональные сети (вычислительные модели) содержат функциональ­ные отношения и позволяют описывать процедуры вычислений одних инфор­мационных единиц посредством других. В сценарных сетях отражаются отношения типа «средство - результат», «орудие - действие», а также каузальные (причинно-следственные). Существуют сети, допускающие связи различного типа. Аппарат семантических сетей широко исполь­зуется в практике представления знаний. Его достоинства: выразительность, естественность и на­глядность, близость семантической структуре фраз естественного языка.

Фреймовые модели являются разновидностью сетевых. Фрейм - это структура данных, представляю­щих стереотипную ситуацию в данной предметной области, снабженная развитым аппаратом описания того, как использовать фрейм, чего можно ожидать далее, а также что следует делать, если эти ожидания подтвердятся. Все, что касается объекта или ситуации и важно с позиций решаемых задач, не рассредоточивается по сети, а представляется в концентрированном виде во фрейме. Это позволяет более эффективно использовать процедурные знания.

Фрейм является сетью узлов и отношений, организован­ных иерархически, где верхние узлы представляют общие понятия, а нижние - более частные. Совокупность фреймов, моделирующая предметную область, - это иерархическая сетевая структура, в ко­торой фреймы соединяются между собой с помощью родовидовых связей и обладают свойством наследования значений харак­теристик родительских структур по умолчанию (если они не со­держат собственных значений этих характеристик). Сложность конструкции фреймовых систем снижает скорость работы механизма вывода и увеличивает тру­доемкость процедур внесения изменений.

Продукционные модели наиболее эффективны при отражении процедурных знаний. Под продукцией понимается выражение вида:

(i) Q; P; A => B; N, где

i - имя продукции, которое позволяет выделить ее из всего множества продукций;

Q - характеризует сферу применения продукции;

=> - знак секвенции (логического сле­дования);

А => В - ядро продукции (ее основной элемент). Ин­терпретация ядра продукции зависит от того, что стоит слева и справа от знака секвенции. Ядро продукции читается так: ЕСЛИ А, ТО В. Более сложные конструкции ядра допускают в правой части альтернативный выбор, например ЕСЛИ А, ТО В1 ИНАЧЕ B2. Возможны и другие интерпретации ядра, в частности: А описывает некоторое условие, при котором совершается действие В;

P - условие применимости ядра продукции, как правило,это логическое выражение. Когда P принимает значение «истина», ядро продукции активизирует­ся. Если P «ложно», ядро продукции не может быть использовано;

N - постусловия продукции. Они актуализиру­ются, когда ядро продукции реализовалось. По­стусловия описывают действия и процедуры, которые не­обходимо выполнить после реализации В;

Для системы продукций задаются специ­альные процедуры управления продукциями, реализующие актуализацию и выбор продукции для выполнения.

Инструментальные средства построения экспертных систем: языки программирования, среды программирования, пустые экспертные системы (оболочки). В качестве языков программирования используются как специализированные средства (Пролог, Лисп и др.), так и языки программирования общего назначения (Ассемблер, Си, Фортран, Бейсик и др.). Их недостатком при создании экс­пертных систем являются большое время разработки систе­мы, необходимость привлечения высококвалифицированных програм­мистов, трудности с модификацией готовой системы, высокая стоимость.

Среды программиро­вания позволяют разработчику не программировать некоторые или все компоненты экспертной системы, а выбирать их из заранее составленного набора.

Использование пустой ЭС освобождает разработчика от программирования: он занимается только наполнением базы знаний. Это резко сокращает сроки создания работоспособной ЭС. Вместе с тем определенные трудности представляет выбор подходящей оболочки.

Проблемы формулируются перед эк­спертной системой в виде совокупности фактов, описывающих некоторую ситуацию. ЭС на основе базы знаний пытается вывести заключение из этих фактов. Система функционирует в цик­лическом режиме: выбор (запрос) данных или результатов анализа, наблюдение, интерпретация результатов, усвоение новой информации, выдвижение с помощью правил временных гипотез и затем выбор сле­дующей порции данных или результатов анализов. Эта последовательность операций повторяется до тех пор, пока не поступит информация, достаточная для окончательного заключения. Для эффективности разрешения проблем принципиальное значение имеет стратегия вывода (метод поиска решения, порядок применения правил).

Стратегии вывода классифицируются по направлению по­иска и по способу управления выводом. По направлению поиска различают прямой, обратный и циклический вывод. В системах с обратным выводом вначале выдвигается некоторая гипотеза, далее отыскиваются факты, подтверждающие ее истинность. Если она оказалась правиль­ной, то выбирается следующая гипотеза, детализирующая первую и являющаяся по отношению к ней подцелью. Далее отыскиваются факты, подтверждающие истинность подчиненной гипотезы. Обрат­ный поиск применяется, когда известны цели и их немного, в частности, в планирующих системах. Системы с прямым выводом, применяемые, прежде всего, при диагностике, поизвестным фактам отыскивает следующее из них заключение. Если такое заключение найдено, оно заносится в рабочую память. Системы цикли­ческого вывода реализуют сочетание указанных методов - обратного и ограниченного прямого.

По мере увеличения количества правил в базе знаний особое значение для минимизации времени и эффективности поиска приобретает стратегия управления выводом. По способу управления выводом различают стратегии поиска в глубину, поиска в ширину, разбиения на подзадачи и альфа-бета алгоритм. Поиска в глубину означает, что при выборе очередной подцели в пространстве состояний предпочтение всегда (если это возможно) отдается той, которая соответствует следующему, более детальному уровню описания задачи. При поиске в ширину система сначала анализирует все признаки, находящиеся на одном уровне пространства состояний, даже если они относятся к различным объектам, и только потом переходит к признакам следующего уровня детализации. Стратегия разбиения на подзадачи предполагает структурирование исходной задачи, т.е. выделение в ней подуровней (системы иерар­хически связанных задач). Решение исходной задачи сводится к последовательному решению совокупности значительно более простых задач. Альфа-бета алгоритм сводит задачу поиска к уменьшению пространства со­стояний путем удаления в нем ветвей, неперспективных для поиска успешного решения. Просматриваются только те вершины, в которые можно попасть в результате следующего шага, после чего неперспективные направления исключаются из дальнейшего рас­смотрения.

Экспертные системы, имеют некоторые преимущества перед человеком-экспертом: они не имеют предубеждений, устойчивы к воздействию внешних факторов и не делают поспешных выводов, на процесс решения не оказывают влияния знания, не связанные непосредственно с задачей, достигнутая компетентность не утрачивается, для них не свойственен эффект «забывания», стоимость эксплуатации невысока, имеется возможность копирования.

Вместе с тем, ЭС не заменяют при выработке и принятии решения человека. Большинство экспертных системне пригодны для применения конечным пользователем. Многие системы оказываются доступными только тем экспертам, которые создавали их базы знаний. Навыки системы не всегда возрастают после сеанса экспертизы. Без постоянного обслуживания и совершенствования экспертами сложные ЭС постепенно теряют эффективность и точность предлагаемых решений.

В творческой деятельности человек обладает несравнимо более высокими возможностями, чем экспертные системы, он способен учитывать всю сложность реальных задач, генерировать новые подходы к их решению, непосредственно воспринимать и использовать при выработке решения, помимо символьной, и иные виды сенсорной информации – визуальную, графическую, звуковую и т.д. Преобразование сенсорной информации в символьную, доступную компьютеру, сопровождается потерей ее части.

Темы курсовых работ