Диалоговая система форматизации и переработки качественной информации

Ранее указывалось, то проблема сбора, оценки достоверности, формализации и переработки качественной информации возникает при решении задач моделирования и управления химпко-технологнческимн процессами, принятия решений в условиях неопределенности, классификации и распознавании образов и др. Одним из современных подходов к решению данной проблемы является метод нечетких множеств. Последний обеспечивает формализацию знаний исследователя или группы исследователей о некотором технологическом процессе или явлении.

При построении диалоговых систем используют различные концепции, в частности максимального удовлетворения требованиям пользователя [7]. При этом внимание сосредоточивается как на индивидуальных особенностях пользователя, так и на прикладной части системы, которая выполняет вычислительные процедуры для решения практических задач. Наряду с тем что разработка прикладной части системы требует значительных затрат, наблюдается некоторая разобщенность между диалоговой системой и ее прикладной частью. Эта разобщенность состоит в том, что пользователь, интерес которого заключен в результатах функциопиро;

Рис. 2.17. Структура диалоговой системы индивидуального пользования.

вания прикладной части системы, не являющийся специалистом в области прикладной математики и программирования, не может измепять структуру прикладной части системы. Однако знание пользователем технологических особенностей решаемой задачи могло бы оказаться полезным при формировании структуры прикладной части диалоговой системы. Довольно часто технологические особенности формулируются в виде качественной информации.

В данном разделе покажем опыт построения диалоговой системы индивидуального пользования, формализация и переработка качественной информации в которой выполняется методами теории нечетких множеств и которая направлена на решение практических задач с использованием любой доступной информации.

На рис. 2.17 показана структура диалоговой системы индивидуального пользования. Система обеспечивает ввод в диалоговом режиме качественной информации и позволяет пользователю обучать систему своему языку. В системе хранится общий словарь терминов, которыми пользователь может характеризовать поведение технологических параметров. В случае, если общий словарь терминов пользователя нс устраивает, он может сформировать несколько словарей для описания поведения каждого параметра или изменить общий словарь. Система дает возможность описывать связи между технологическими параметрами, используя нечеткие термины из словаря, в диалоговом режиме. В прикладной части системы обеспечивается формализация связей между параметрами нсчоткнми бинарными отношениями и имеется набор программных модулей, позволяющих решать задачи по моделированию ХТС. _.

Пусть Q — множество терминов q_k (к = 1, К) в словаре. Общий словарь Q позволяет характеризовать поведение всех технологических параметров, а множество словарей Q_t (I = 1, L) используется для описания поведения фиксированного параметра или некоторого ряда параметров. В случае работы с общим словарем формализация каждого термина ЕЕ Q функцией степеней' принадлежности p_efc должна быть универсальной для различных параметров. Задача построепия функций степепей принадлежности подробно рассмотрена в разд. 2.3. При ее решении используют методы экспертных оценок для формализации первичных терминов. Наряду с этим формализацию терминов в словарях Q_t (I = 1, L) может обеспечить пользователь самостоятельно в диалоговом режиме работы системы. Это дает возможность пользователю обучать систему, исходя из особенностей решаемой задачи, своих представлений и опыта.

Задание первичных терминов может выполняться различными способами. Простейшим является задание функций степеней принадлежности (ы_т) для каждого термина q_H е Q (к = 1, К)

и каждого значения величины параметра и_т (т = 1, М) дискретного множества U (и_т U). Дискретное множество U С, где U — множество возможных значений величины параметра х (ЕЕ X в рамках решаемой задачи. Другим способом является задание опорных элементов и_а, Ир, и_у на множестве ?/, которые заведомо принадлежат или не принадлежат выбранному термину. В первом случае функция степеней принадлежности полагается равной единице. во втором — нулю. После задания опорных элементов выполняется аппроксимация функции степеней принадлежности по заданным величинам iq_k (м_а), (ир), (иу). В диалоговой системе предусмотрены оба способа задания функций степеней принадлежности.

В режиме обучения диалоговой системы пользователь получает сообщения й отвечает па них. Программное обеспечение системы реализовано на алгоритмическом языке бейсик и названо FUZSET. Для иллюстрации приведем выдаваемые системой сообщения и возможные ответы пользователя, вводимые в систему нажатием клавиши .

PROGRAM FUZSET.

БУДЕТЕ ВВОДИТЬ СВОИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ — 1 ПОСМОТРИТЕ ОБЩИЙ СЛОВАРЬ — 2.

ИЛИ ПОСМОТРИТЕ РЕЗУЛЬТАТ ПРЕДЫДУЩЕЙ РАБОТЫ — 3 Ответ.

1 'ВК>

ВВЕДИТЕ ЧИСЛО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ, НЕ БОЛЕЕ.

Ответ.

ВВЕДИТЕ НАИМЕНОВАНИЯ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ, НАПРИМЕР.

«ТЕМПЕРАТУРА».

«СКОРОСТЬ» И Т. Д.

Ответ.

«РАСХОД ГАЗА».

«ДАВЛЕНИЕ».

«ТЕМПЕРАТУРА».

ВСЕ В ПОРЯДКЕ — 1; ХОТИТЕ ИЗМЕНИТЬ ЧИСЛО ПАРАМЕТРОВ — 2; ПЕРЕИМЕНОВАТЬ ВСЕ ПАРАМЕТРЫ — 3; ИЗМЕНИТЬ КАКИЕ-ЛИБО ПАРАМЕТРЫ — 4 Ответ.

НУЖЕН РЕЗУЛЬТАТ ПРЕДЫДУЩЕЙ РАБОТЫ — 3, НЕТ — 2 Ответ.

ЗАДАЙТЕ ЧИСЛОВОЙ ДИАПАЗОН ИЗМЕНЕНИЯ КАЖДОГО ПАРАМЕТРА НИЖНЯЯ ГРАНИЦА ПАРАМЕТРА «РАСХОД ГАЗА».

Ответ.

ВЕРХНЯЯ ГРАНИЦА ПАРАМЕТРА «РАСХОД ГАЗА».

Ответ.

НИЖНЯЯ ГРАНИЦА ПАРАМЕТРА «ДАВЛЕНИЕ».

Ответ.

—0.2.

ВЕРХНЯЯ ГРАНИЦА ПАРАМЕТРА «ДАВЛЕНИЕ».

Ответ.

0. 2.

НИЖНЯЯ ГРАНИЦА ПАРАМЕТРА «ТЕМПЕРАТУРА».

Ответ.

ВЕРХНЯЯ ГРАНИЦА ПАРАМЕТРА «ТЕМПЕРАТУРА».

Ответ.

• 940
• 1. «РАСХОД ГАЗА» — ДИАПАЗОН: 80−120
• 2. «ДАВЛЕНИЕ» — ДИАПАЗОН: -.2 -.2
• 3. «ТЕМПЕРАТУРА» — ДИАПАЗОН: 900−940 УСТРАИВАЕТ — 1, НЕ УСТРАИВАЕТ — 2 Ответ.
• 1

ЕСЛИ НУЖЕН РЕЗУЛЬТАТ ПРЕДЫДУЩЕЙ РАБОТЫ — 3, НЕТ — 2 Ответ.

ОПРЕДЕЛИМ ЧИСЛО ЭЛЕМЕНТОВ В КАЖДОМ ИЗ 3 ДИАПАЗОНОВ ИМЕЕТЕ ПРАВО ОТВЕТИТЬ: НЕ ИМЕЮ ПОНЯТИЯ — 1, ЗАДАМ ОДИНАКОВОЕ ЧИСЛО ЭЛЕМЕНТОВ — 2, ЗАДАМ РАЗНОЕ КОЛИЧЕСТВО ЭЛЕМЕНТОВ — 3, БУДУ РАБОТАТЬ С КАЖДЫМ ИЗ 3 ДИАПАЗОНОВ С ЦЕЛЬЮ ЗАДАНИЯ НЕРАВНОМЕРНОГО ЩАГА — 4 Ответ.

ВВЕДИТЕ ЧИСЛО ЭЛЕМЕНТОВ В 1-М ДИАПАЗОНЕ Ответ.

ВВЕДИТЕ ЧИСЛО ЭЛЕМЕНТОВ ВО 2-М ДИАПАЗОНЕ Ответ.

ВВЕДИТЕ ЧИСЛО ЭЛЕМЕНТОВ В 3-м ДИАПАЗОНЕ Ответ.

• 5
• 1. «РАСХОД ГАЗА» 80 93.3 106.6 1?0
• 2. «ДАВЛЕНИЕ* —.2 0 .2
• 3. «ТЕМПЕРАТУРА» 900 910 920 930 940

УСТРАИВАЕТ — 1, НЕ УСТРАИВАЕТ — 2 Ответ.

ЖЕЛАЕТЕ РАБОТАТЬ С ОБЩИМ СЛОВАРЕМ — 1 СФОРМИРУЕТЕ СЛОВАРЬ ДЛЯ КАЖДОГО ПАРАМЕТРА — 2 Ответ.

ФОРМИРУЕМ СЛОВАРЬ ДЛЯ ПАРАМЕТРА «РАСХОД ГАЗА».

ВВЕДИТЕ ЧИСЛО ТЕРМИНОВ В СЛОВАРЕ, НЕ БОЛЕЕ 30 Ответ.

ВВЕДИТЕ ТЕРМИНЫ Ответ.

«МАЛЫЙ».

«СРЕДНИЙ».

«ВЫСОКИЙ».

• 1. «МАЛЫЙ»
• 2. «СРЕДНИЙ*
• 3. «ВЫСОКИЙ»

УСТРАИВАЕТ — 1, НЕ УСТРАИВАЕТ — 2 Ответ.

Аналогично формируются словари для параметров «Давление» и «Температура». В системе предусмотрены режимы для изменепия словаря. При этом может выполняться исключение, добавление, замена и перестановка терминов. Каждый из диапазонов изменения параметров является универсальным множеством. Система реализует отображение каждого из диапазонов изменения параметров в отрезок [0, 1].

В случае, если формализацию терминов выполняет пользователь самостоятельно, система выдает следующие сообщения:

«РАСХОД ГАЗА».

ДИАПАЗОН 80 93.3 106.6 120.

0 .33 .67 1.

ВВЕДИТЕ ДЛЯ ПАРАМЕТРА «РАСХОД ГАЗА» СТЕПЕНЬ ОТ 0 ДО 1, С КОТОРОЙ ВЕЛИЧИНА ПАРАМЕТРА МОЖЕТ БЫТЬ ОТНЕСЕНА К ТЕРМИНУ «МАЛЫЙ».

ДЛЯ ПЕРВОГО ЭЛЕМЕНТА ДИАПАЗОНА Ответ.

ДЛЯ ВТОРОГО ЭЛЕМЕНТА ДИАПАЗОНА Ответ.

0,5.

ДЛЯ ТРЕТЬЕГО ЭЛЕМЕНТА ДИАПАЗОНА Ответ.

0,25.

ДЛЯ ЧЕТВЕРТОГО ЭЛЕМЕНТА ДИАПАЗОНА 0.

Апалогичпо выполняется формализация других терминов для всех параметров. Выходное сообщение, которое позволяет контролировать и при необходимости внести исправления, имеет следующий вид:

«РАСХОД ГАЗА».

ДИАПАЗОН 80 93.3 106.6 120.

0 .33 .67 1.

«МАЛЫЙ» 1 .5 .25 0.

«СРЕДНИЙ» .5 1 1 .5.

«ВЫСОКИЙ» 0 .25 .5 1.

УСТРАИВАЕТ — 1, НЕ УСТРАИВАЕТ — 2 Ответ.

В соответствии с диаграммным методом представления и анализа ФХС каждая пара параметров x_iy xj 6Е X (i Ф /) может находиться или не находиться во взаимосвязи, что задается матрицей смежности. Будем рассматривать только причинно-следственные связи. Формализация, этих связей осуществляется нечеткими бипарными отношениями.

Формирование матрицы смежпости выполняется по запросу системы. При этом выдаются следующие сообщения.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ:

• 1. «РАСХОД ГАЗА»
• 2. «ДАВЛЕНИЕ»
• 3. «ТЕМПЕРАТУРА»

ВЛИЯЕТ ЛИ ПАРАМЕТР «РАСХОД ГАЗА» НА «ДАВЛЕНИЕ» ?

ДА — 1, НЕТ — 2 Ответ.

ВЛИЯЕТ ЛИ ПАРАМЕТР «РАСХОД ГАЗА» НА «ТЕМПЕРАТУРА»?

ДА — 1, НЕТ-2 Ответ.

Аналогично выполняется формирование матрицы для всех параметров. По запросу диалоговой системы для каждой пары (x_it X]) технологических параметров пользователь должен сформировать условные предложения вида:

«Если q, то qi, иначе, если q, то иначе, если q^l_p, то 0р»,.

где q_v, q*_p — термины словарей i-го и /-го параметров рассматриваемой пары.

Сообщения системы для формализации связей между параметрами имеют следующий вид.

ОПИШИТЕ ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРА «РАСХОД ГАЗА».

ИА «ТЕМПЕРАТУРА».

ПАРАМЕТРЫ «РАСХОД ГАЗА» «ТЕМПЕРАТУРА».

ТЕРМИНЫ 1. «МАЛЫЙ» «НИЗКАЯ».

• 2. «СРЕДНИЙ» «ОЧЕНЬ НИЗКАЯ»
• 3. «ВЫСОКИЙ» «СРЕДНЯЯ»
• 4. «ВЫСОКАЯ»
• 5. «ОЧЕНЬ ВЫСОКАЯ»

ЕСЛИ «РАСХОД ГАЗА» — «МАЛЫЙ», ТО «ТЕМПЕРАТУРА»?

Ответ.

«НИЗКАЯ» «ИЛИ» «ОЧЕНЬ НИЗКАЯ».

ЕСЛИ «РАСХОД ГАЗА» — «СРЕДНИЙ», ТО «ТЕМПЕРАТУРА»?

Ответ.

«СРЕДНЯЯ».

Точно так же формируются условные предложения для описания всех связей между параметрами. Приведем нример выходной формы.

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРА «РАСХОД ГАЗА» НА «ТЕМПЕРАТУРА».

ЕСЛИ «РАСХОД ГАЗА» — «МАЛЫЙ» ТО «ТЕМПЕРАТУРА» —.

«НИЗКАЯ» «ИЛИ» «ОЧЕНЬ НИЗКАЯ».

ЕСЛИ «РАСХОД ГАЗА» — «СРЕДНИЙ» ТО «ТЕМПЕРАТУРА» — «СРЕДНЯЯ» ВЛИЯНИЕ' «ДАВЛЕНИЕ* НА «ТЕМПЕРАТУРА*.

ЕСЛИ «ДАВЛЕНИЕ» — «СЛАБО ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ» ТО «ТЕМПЕРАТУРА» — «НИЗКАЯ» «ИЛИ» «ОЧЕНЬ НИЗКАЯ».

ЕСЛИ «ДАВЛЕНИЕ» — «СЛАБО ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ» ТО «ТЕМПЕРАТУРА» — «СРЕДНЯЯ» «ИЛИ» «ВЫСОКАЯ».

В правой части условного предложения допускается использовать до пяти терминов, соединенных союзами «и», «или» и отрицанием «не».

В прикладной части диалоговой системы вычисляются нечеткие бинарные отношения R_tj (i, /= 1, Л^г), которыми формализована связь между параметрами x_t и xj в соответствии с условными предложениями. Вычисления выполняются с использованием операций декартова произведения ц объединения нечетких множеств:

где Л_р, В_р — нечеткие множества, которыми формализованы термины <7р и (f_v для параметров x_t и Xj. Нечеткое отношение Ни определяется функцией степеней принадлежности рл (и, у), и ЕЕ е и е Uj.

Моделью технологической системы является диаграмма влияний технологических параметров, которая представляет собой ориентированный граф и задается матрицей смежности, и множество нечетких бинарных отношений {/?,-^} (i, / = 1, Л').

Введем в рассмотрение подмножества (s = 1,5), где.

X^е — множество параметров х, на которые влияют параметры х ЕЕ ЕЕ X^s" (5=1, S). При 5=1 имеем множество входных параметров X. Величина параметра х определяется функцией степеней принадлежности p*₄ (и) (и ЕЕ U_t). Приведем в упрощенном виде алгоритм моделирования ХТС при отсутствии замкнутых маршрутов на ориентированном графе.

• 1. Задать в диалоговом режиме множество входных параметров X с= X.
• 2. Задать в диалоговом режиме р*. (и) Vx_f ^ X; и ЕЕ U
• 3. Положить р_х (и) = 1; Vx ЕЕ X X; и ЕЕ U.
• 4. Положить 5 = 1, Д = 1.
• 5. Выявить по матрице смежности множество параметров Х^а+Л.
• 6. Вычислить

7. Найти.

где р* (i>) — функция степеней принадлежности на предыдущем шаге вычислений.

8. Вычислить.

• 9. Если Д = —1, то перейти на и. 12.
• 10. Положить $ — $ + А. Если 5 ^ i5 то перейти на п. 5.
• 11. Положить Д = —1.
• 12. Положить s — s + Д. Если s <1 S, то перейти на п. 5.
• 13. Вывод выходных параметров.
• 14. Конец.

Отметим, что при наличии замкнутых маршрутов на множестве X необходимо обеспечить процедуру, при которой минимизируется расстояние Хемминга для функций степеней принадлежности (и) ^и И* (и), х €= Xу и ^ U,

Отличительной особенностью рассмотренной диалоговой системы формализации и переработки качественной информации является то, что при ее работе в прикладной части системы отражаются особенности решаемой задачи, зпания и опыт пользователя, наличие доступной информации. Диалоговая система реализована на ЭВМ СМ-4, максимальное число анализируемых технологических параметров не более 30.

Практика работы с диалоговой системой показала простоту обучения пользователя. Наиболее сложным явилось представление изучаемого процесса диаграммой взаимных влияний технологических параметров. Этот этап целесообразно выполнить до работы пользователя на ЭВМ. Некоторые затруднения возникали у пользователя при задании функций степеней принадлежности. Для преодоления этих затруднений требовалось иллюстрировать понятие функции степеней принадлежности применительно к решаемой задаче. Наряду с этим результат решения задачи зависит от достоверности исходной информации.