Алгоритмы эффективного принятия оперативных решений в АСУ. Экспертные системы.

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

Алгоритмы эффективного принятия оперативных решений в АСУ. Экспертные системы.

База знаний – это интегрированная система, включающая модель предметной области (понятийное знание), систему управления базой знаний (механизм принятия решений), базы данных (предметные знания) и пакеты прикладных программ (процедурные знания).

К термину «база знаний» близок по смыслу термин «экспертная система».

Экспертная система – это система, обеспечивающая создание и использование с помощью ЭВМ баз знаний экспертов. По существу это то же, что и система баз знаний. Рассматриваемый далее материал, таким образом, может быть отнесён, как к СБЗ так и ЭС.

В соответствии со структурой, изображённой на рисунке, различают алгоритмические и неалгоритмические знания.

Алгоритмические (или процедурные) знания – это алгоритмы (программы, процедуры), вычисляющие функции, выполняющие преобразования, решающие точно определённые конкретные задачи. Базой алгоритмических знаний можно считать любое собрание (библиотеку) программ. Основой каждого пакета прикладных программ (ППП) или проблемно- ориентированной системы (ПОС) является база алгоритмических знаний в конкретной прикладной области.

Неалгоритмические знания охарактеризовать гораздо труднее, чем алгоритмические. Они состоят прежде всего из мысленных объектов, называемых понятиями. Понятие обычно имеет имя, определение, структуру, оно связано с другими понятиями и входит в какую- то систему понятий. Причём, знания воплощённые в понятиях, не сводятся к моделям предметных областей.

 

ЗАДАНИЕ N-30

Алгоритмы эффективного принятия оперативных решений в АСУ. Экспертная система «Распределение порожних вагонов под погрузку на станции».

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

 

Экспертные системы – это новый тип программных систем, предназначенный для решения неформализуемых задач в узких предметных областях. Вместо традиционной формулы «данные + программа» в ЭС используется формула “факты + правила” («значение + механизм логического вывода»).

Для разработки ЭС используются специализированные системы программирования, например, Visual ПРОЛОГ.

Какие свойства ЭС важны для их применения в управлении на транспорте?

Экспертная система ориентирована на решение задач в неформализуемых областях, которые ранее вообще были недоступны для вычислительной техники; способна к логическому выводу при неполных и нечётких данных; выдаёт не таблицы и графики, а вполне конкретный совет или решение; способна, как правило, объяснить цепочку своих рассуждений; может служить дружественным «интерфейсом» между пользователем и динамическими базами данных, в которых отображаются транспортные процессы.

Рассмотрим работу ЭС для поддержки оперативных решений по рациональному распределению порожних вагонов под погрузку на станции (РВ – распределение вагонов). Система предназначена для использования грузовым диспетчером в рамках АСУ грузовой станции (АСУ – ГС).

Целью создания РВ явилось повышение качества принимаемых диспетчером решений по подбору порожних вагонов под погрузку по заявкам.

При разработке к системе РВ предъявлялись следующие требования:

- рекомендации РВ по качеству не должны уступать рекомендациям опытных диспетчеров;

- система должна взаимодействовать с динамической базой данных АСУ – ГС, то есть служить посредником между диспетчером и ЭВМ;

- система должна учитывать неточность отображения в базе данных текущей ситуации на станции;

- система должна быть ориентированна на модификацию базы знаний, как по указанию диспетчеров, так и в процессе самообучения;

- система должна вести диалог и уметь, хотя бы частично, объяснять свои рекомендации.

 

АЛГОРИТМ

Решения задачи системой РВ

 

Шаг 1. В произвольный момент времени по инициативе диспетчера РВ выявляет весь ресурс порожних вагонов по данным АСУ-ГС и АСУ сортировочной станции, откуда производится передача; учитываются как порожние, так и груженые вагоны, прибывающие под погрузку.

Шаг 2. Вводятся заявки на погрузку.

Шаг 3. Для определенной заявки выявляется упорядоченный список вагонов, пригодных для погрузки. Список упорядочивается в соответствии с коэффициентом определенности, по шкале от 0 до 1.

Шаг 4. По каждому вагону может быть дана справка.

Шаг 5. По требованию диспетчера для каждой заявки могут выявляться заявки- конкуренты.

 

ЗАДАНИЕ N-31

Инструментальные средства построения систем баз знаний и экспертных систем.

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

 

По своему назначению и функциональным возможностям инструментальные программы, применяемые при проектировании экспертных систем, можно разделить на четыре достаточно больших категории.

· Языки программирования высокого уровня. Инструментальные средства этой категории избавляют разработчика от необходимости углубляться в детали реализации системы -- способы эффективного распределения памяти, низкоуровневые процедуры доступа и манипулирования данными. С++, Delfi, Java, Basicи др.

· Среда программирования, поддерживающая несколько парадигм (multiple-paradigm programming environment). Средства этой категории включают несколько программных модулей, что позволяет пользователю комбинировать в процессе разработки экспертной системы разные стили программирования.

· Оболочки экспертных систем (expert system shells). Системы этого типа создаются, как правило, на основе какой-нибудь экспертной системы, достаточно хорошо зарекомендовавшей себя на практике. При создании оболочки из системы-прототипа удаляются компоненты, слишком специфичные для области ее непосредственного применения, и оставляются те, которые не имеют узкой специализации. Примером может служить система EMYCIN, созданная на основе прошедшей длительную "обкатку" системы MYCIN.

ЗАДАНИЕ N-31

Инструментальные средства построения систем баз знаний и экспертных систем

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

 

 

Под "оболочками: (shells) понимают "пустые" версии существующих экспертных систем, т.е. готовые экспертные системы без базы знаний. Достоинство оболочек в том, что они вообще не требуют работы программистов для создания готовой экспертной системы. Требуется только специалисты в предметной области для заполнения базы знаний. Однако если некоторая предметная область плохо укладывается в модель, используемую в некоторой оболочке, заполнить базу знаний в этом случае весьма не просто.

База знаний – интегрируемая система, включающая модель предметной области в системе управления базой знаний (механизм принятий решений).

 

ЗАДАНИЕ N-32

 

Экспертные системы. Использование экспертных систем в управлении перевозочным процессом на транспорте. Цель создания, предъявляемые требования и решаемые задачи.

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

Экспертные системы (ЭС)- это новый тип программных систем, предназначенный для решения неформализуемых задач в узких предметных областях. Отличительной особенностью ЭС является то, что все они моделируют интеллектуальную деятельность на основные компоненты, аккумулирующие знания экспертов-профессионалов, т.е. на базе знаний.

ЭС: ориентирована на решение задач в неформализуемых областях, которые ранее вообще были недоступны для вычислительной техники; способна к логическому выводу при неполных и нечетких данных; выдает не таблицы или графики, а вполне конкретный совет или решение; способна, как правило, объяснить цепочку своих рассуждений; может служить дружественным «интерфейсом» между пользователем и динамическими базами данных, в которых отображаются транспортные процессы.

К экспертным системам предъявляются следующие требования:1) Использование знаний, связанных с конкретной предметной областью;2) Приобретение знаний от эксперта;3) Определение реальной и достаточно сложной задачи;4) Наделение системы способностями эксперта.В настоящее время технология экспертных систем используется для решения различных типов задач:- Интерпретация – анализ информации с целью определения ее смысла.- Диагностика – классификация и поиск неисправностей в живых и неживых системах, основанные на результатах интерпретации.- Предсказание – прогнозирование хада событий в будущем на основании модели прошлого и настоящего.- Планирование – подготовка программы действий, которые необходимо выполнить для достижения сформированных целей.- Проектирование – разработка подробной документации, предназначенной для создания объектов, удовлетворяющим специфицированным требованиям.

ЗАДАНИЕ N-33

 

Экспертная система «Распределение вагонов». Система нумерации вагонов грузового парка железных дорог ОАО «РЖД» колеи 1520мм.

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

 

ЭС для поддержки оперативных решений по рациональному распределению порожних вагонов под погрузку на станции (РВ), реализованную средствами языка программирования ДИАМС-3.

Предназначена она для использования грузовым диспетчером в рамках АСУ грузовой станции (АСУ-ГС)

Процесс решения задачи системой РВ можно разбить на несколько этапов, последовательностью которых выбирает сам диспетчер.

В произвольный момент времени по инициативе диспетчера РВ выявляет весь ресурс порожних вагонов по данным АСУ-ГС и АСУ сортировочной станции, откуда производится передача; учитывается как порожние так и погруженные вагоны, прибывающие под выгрузку.

Вводятся заявки на погрузку.

Для определения заявки выявляется упорядоченный список вагонов, пригодных для погрузки. Список упорядочивается в соответствии с коэффициентом определенности по шкале от нуля до 1.

По каждому вагону может быть дана справка.

По требованию диспетчера для каждой заявки могут выявляться заявки конкуренты.

При текущем планировании работы станции диспетчер подбирает порожние вагоны под погрузку по заявкам исходя из ряда противоречивых требований: повышение статической нагрузки, снижение расходов на подготовку и ремонт вагонов, сокращение возврата непригодных вагонов с мест погрузки, уменьшение непроизводительных простоев. При этом должны учитываться тип вагона, категория годности вагона к погрузке, предполагаемая продолжительность выгрузки, расположение фронтов погрузки и выгрузки и т.д. Целью создания РВ является повышение качества принимаемых диспетчером решений.

При разработке к системе РВ предъявлялись следующие требования: рекомендации РВ по качеству не должны уступать рекомендациям опытных диспетчеров; система должна взаимодействовать с динамической базой АСУ-ГС, т.е. служить посредником между диспетчером и ЭВМ; система должна учитывать не полноту и неточность отображения в базе данных текущей ситуации на станции; система должна быть ориентирована на модификацию базы знаний как по указаниям диспетчеров, так и в процессе самообучения; система должна вести диалог и уметь, хотя бы частично, объяснять свои рекомендации.

Номер вагона, наносимый на боковой стене и хребтовой балке рамы, у всех грузовых вагонов имеет восемь знаков. Он состоит из семи основных цифр, несущих информацию о типе вагона и его технических и коммерческих признаках. Восьмая цифра является контрольной. С ее помощью проверяется правильность передачи номера в документах. СИСТЕМА нумерации вагонов грузового парка железных дорог колеи 1520 мм (Введена приказом МПС № 22Ц от 15.05.84 г.).

Значение каждой цифры в системе нумерации вагонов грузового парка железных дорог колеи 1520 мм
1-я цифра	2-я цифра	3-я цифра	4-я цифра	5-я и 6-я цифры	7-я цифра
Род вагона	Осность и основная характеристика вагона	Дополнительная характеристика вагона			0-8 без торм. площ; 9 с торм. площ

Первый знак номера кодирует тип вагона и ряд других технических средств на железнодорожном ходу: 0 — пассажирские вагоны, 1—локомотивы, путевые машины, краны и другие механизмы, 2— крытые грузовые вагоны, 4 — платформы, 5 — вагоны, находящиеся в собственности предприятий других министерств (вагоны не принадлежащие железным дорогам), 6 — четырех-и восьмиосные полувагоны, 7 — четырех- и восьмиосные цистерны, 8 — изотермические четырехосные вагоны, 3 — транспортеры, шестиосные вагоны, четырехосные хопперы-дозаторы и думпкары и 9 — прочие четырехосные вагоны (для зерна, цистерна для кальцинированной соды и др.). Шестиосные вагоны и транспортеры отнесены к прочим вагонам. Второй знак номера (кроме прочих, номер которых начинается с 3) кодирует осность: цифры 0-8 означают четырехосные, 9 - восьмиосные вагоны. У шестиосных вагонов вторая цифра номера — 6. Одновременно наряду с осностью второй знак несет в себе информацию об основных характеристиках вагона. Например, у крытых вагонов цифра 0— означает, что объем кузова вагона равен 120 м3, цифры 2 и 3 —объем кузова более 120 м3, цифры 4—7 — кузов выполнен с уширенным дверным проемом.
Третий, четвертый, пятый и шестой знаки номера у всех вагонов, кроме транспортеров, характеристики не содержат, а седьмой знак также, кроме транспортеров, кодирует наличие или отсутствие переходной площадки: цифры 0—8 — седьмого знака означают, что у вагонов нет переходной площадки, а цифра 9 — свидетельствует о наличии площадки.
Второй знак у транспортеров — 9. Третий знак (0—9) транспортеров характеризует их тип: 0, 1 и 2 — площадочные, 3 — платформенные, 4 и 5 — колодцевые, 6 и 7 — сцепные крайние платформы, 8 —сцепные средние платформы и 9 — сочлененные.
Четвертый знак (0—9) транспортера характеризует дополнительные данные: длину и массу тары. Пятый, шестой и седьмой знаки номера характеристики не содержат.
Одновременно приказом МПС номер 22Ц с 1984 г. введена «защита» номера вагона, которая предусматривает добавление восьмой - контрольной цифры номера вагона. С ее помощью проверяют правильность передачи и записи номера в документах. Для защиты номеров вагонов с целью стандартизации методов контроля на железных дорогах СНГ и Западной Европы использован способ, предложенный комиссией ОСЖД-МСЖД в 1963 г. (модуль К—10). Весовой ряд имеет вид {z_i} = 2 1 2 1..., при этом каждая нечетная цифра номера вагона, считая справа, умножается на 2, а четная на 1. Затем выполняется поразрядное сложение полученных произведений и определяется цифра, дополняющая полученную сумму до ближайшего числа, кратного 10.

 

ЗАДАНИЕ N-34

Экспертная система «Распределение вагонов». Перечень грузов по кодам и Алфавитный указатель грузов в Тарифном руководстве №1.

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

 

Наименование груза и его код при перевозке грузов в прямом железнодорожном сообщении, в прямом смешанном сообщении, в непрямом смешанном сообщении указывается грузоотправителем в перевозочных документах в соответствии с алфавитным списком ЕТСНГ. При невозможности отнесения перевозимого груза к одному из наименований позиции ЕТСНГ решение об отнесении груза к соответствующему коду позиции ЕТСНГ принимает федеральный орган исполнительной власти в области железнодорожного транспорта при представлении грузоотправителем соответствующей документации на указанный груз.

При перевозке экспортных и импортных грузов, следующих в прямом и непрямом международном сообщении, грузоотправителем проставляется наименование груза и его код в соответствии с Гармонизированной номенклатурой грузов (далее - ГНГ), издаваемой отдельно, а также наименование и код груза в соответствии с ЕТСНГ.

Перечня код позиции ЕТСНГ служит для определения необходимого тарифа, целей учета и автоматизации таксировки платы. Код состоит из 6 цифр:

· две первые цифры означают порядковый номер группы (пятизначный код группы всегда заканчивается тремя нулями 01000, 02000,...);

· третья цифра означает номер позиции в соответствующей группе (пятизначный код позиции всегда заканчивается двумя нулями 01100, 01200,...);

· четвертая и пятая цифры означает порядковый номер груза в позиции, но в данном Перечне не используются и представлены двумя нулями;

· шестая цифра является контрольной.

ЗАДАНИЕ N-35

Экспертная система «Распределение вагонов». Программная реализация сценария принятия решения. Набор фактов. Набор правил.

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

 

В модуле каждому вагону, пригодному для погрузки по заявке, дается оценка по шкале от нуля до 1. Ресурс оценивается с помощью сегмента БЗ, состоящего из трех составных частей: фактические (декларативные) знания – база данных о фактах, собранных в текущий момент; множество правил; управляющие знания («машина вывода»)- программа, реализующая выбор правила, которое нужно применить в текущий момент.

Все факты в БЗ организованы в виде записей: ПРИЗНАК, ЗНАЧЕНИЕ, МД, МДН, КО. В записи ПРИЗНАК – наименование признака (используются признаки ГОДНОСТЬ – обобщенная оценка годности, ТИП-ГОДНОСТЬ – годность вагона по типу, М-ГОДНОСТЬ – годность вагона по местоположению относительно фронта погрузки, Р-РЕСУРСА – район местоположении вагона и т.д.); ЗНАЧЕНИЕ – символьгое значение признака (признак ГОДНОСТЬ может иметь только одно значение «гн» - годен, признак Р-РЕСУРСА может иметь значения «101», «20» т.д.); МД и МДН – меры доверия и недоверия к факту (обе меры имеют область определения в интервале от нуля до единицы); КО - коэффициент определения факта (определяется как разность МД минус МНД, поэтому изменятся в интервале от -1 до +1; если КО=1, то факт установлен абсолютно, если КО= -1, то считается что точно установлено, что признак не имеет данного значения; при нулевом значении факт считается полностью неопределенным).

Первоначально в массив фактов КОНТЕКСТ помещаются все сведения из базы данных АСУГС, относящиеся к данному вагону и заявке, а также все сведения, полученные на предыдущих узлах сценария.

Для представления правил и фактов в ЭС используются массивы ПРАВИЛА и КОНТЕКСТ. Эти массивы имеют модель глобальной переменной – «глобали», реализованной в системе ДИАМС-3. Эта модель данных обладает большими возможностями, определившими ее использование в качестве средства представления знаний.

Кроме массива ПРАВИЛА, база правил содержит инверсный массив ПРИЗНАКИ. В нем для каждого признака, встречающегося в выводе правил, приводятся в возможные значения признака и номера правил, в которых эти значения присваиваются в выводе.

Управляющие знания представлены в виде программы, реализующий метод выборы правила, которое нужно применять при текущем состоянии массива КОНТЕКСТ. Эта программа использует некоторые рабочие массивы.

 

ЗАДАНИЕ N-36

Экспертная система «Распределение вагонов». Последовательность выполнения операций по выбору вагона в процессе работы сценария принятия решений.

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

 

 

 

 

На вход сценария поступает описание пары «вагон ресурса-заявки», а на выходе система достигает одного из двух возможных узлов сценария: вагон не годен, вагон годен (годность определена по шкале). Вагон ресурса описывается следующий записью: РЕСУРС (Н-ВАГОНА, ИСТОРИЯ, ТИП, ДАТА – ПРИБЫТИЯ, Т – ПРИБЫТИЯ, Т – ПОДАЧА, К – ПОДАЧА, Т- ВЫГРУЗКИ, Р – ВЫГРУЗКИ, КОД ГРУЗА, К- ГОДЕН), где Н-ВАГОНА – номер вагона; ИСТОРИЯ - состояние вагона (<0> - порожний вагон, прибывающий на станцию в порожнем состоянии, <1> - груженый вагон, прибывший на станцию под выгрузку, и сообщение о выгрузке еще не поступило, <2> - груженый вагон, прибывший на станцию под выгрузку, и сообщение о выгрузке уже поступило, <3> - порожний вагон на платформе станции, <4> - груженый вагон на платформе станции); ТИП – тип вагона, Т-ПРИБЫТИЯ – время прибытия на станцию; Т-ПОДАЧА – время подачи на грузовой фронт; К-ПОДАЧИ – количество вагонов в подаче; Т-ВЫГРУЗКИ - время выгрузки; Р-ВЫГРУЗКИ – наименование района выгрузки; КОД-ГРУЗА – код груза; К-ГОДЕН – категория годности вагона к погрузке.

Заявка на погрузку описывается следующей записью: ЗАЯВКА=КОД ГРУЗА, Ф-ПОГРУЗКИ, Т-РАННЕЕ, Т-ПОЗДНЕЕ, где КОД-ГРУЗА – код груза; Ф-ПОГРУЗКИ – фронт погрузки; Т-РАННЕЕ - начальное время для подачи, Т-ПОЗДНЕЕ - предельное время подачи вагона.

 

ЗАДАНИЕ N-37

Экспертные системы. Алгоритм оценки коэффициента определенности годности вагона под погрузку.

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ N-38

Использование экспертных систем в управлении перевозочным процессом на транспорте. Интерфейс экспертной системы.

 

ЭТАЛОННЫЙ ОТВЕТ

 

Менеджер (специалист) использует интерфейс для ввода информации и команд в экспертную систему и получения выходной информации из нее. Команды включают в себя параметры, направляющие процесс обработки знаний. Информация обычно выдается в форме значений, присваиваемых определенным переменным.
Менеджер может использовать четыре метода ввода информации: меню, команды, естественный язык и собственный интерфейс.

Технология экспертных систем предусматривает возможность получать в качестве выходной информации не только решение, но и необходимые объяснения.

Различают два вида объяснений:
1) объяснения, выдаваемые по запросам. Пользователь в любой момент может потребовать от экспертной системы объяснения своих действий;
2) объяснения полученного решения проблемы. После получения решения пользователь может потребовать объяснений того, как оно было получено. Система должна пояснить каждый шаг своих рассуждений, ведущих к решению задачи.

Кроме того, во многих экспертных системах вводятся дополнительные блоки: база данных, блок расчета, блок ввода и корректировки данных. Блок расчета необходим в ситуациях, связанных с принятием управленческих решений. При этом важную роль играет база данных, где содержатся плановые, физические, расчетные, отчетные и другие постоянные или оперативные показатели. Блок ввода и корректировки данных используется для оперативного и своевременного отражения текущих изменений в базе данных

 

 

Фонд разработан

канд. техн. наук, доц. ____________________ А. И. Мочалов

 

Рассмотрен и одобрен на заседаниях:

Кафедры «Интермодальных перевозок и логистики»

 

"__3__" декабря 2007г. Протокол № 8

 

Зав. каф. N30

докт. техн. наук, профессор ____________________ Ю.И. Палагин

 

Секретарь К.И. Голубева

 

 

Ученого совета института экономики и

управления транспортными системами

от 200 г. Протокол №

 

Директор института

 

докт. техн. наук, профессор ____________________ А.А. Богданов

 

Секретарь совета ____________________