Алгоритмическое обеспечение автоматизации научной работы студентов на основе тезаурусной системы знаний

Актуальность темы

исследования. В условиях постиндустриального общества с усилением процессов глобализации и интеграции возрастают требования к качеству высшего профессионального образования. Новая парадигма образования* «образование через всю жизнь» выражает социальный заказ общества на мобильный, быстро адаптирующийся к перманентным изменениям' на рынке труда человеческий капитал, способный осваивать и создавать новые высокие технологии.

Последнее невозможно без опоры высшего профессионального образования* на-инновационные, наукоемкие образовательные технологии. Сегодня невозможно получение требуемого от вуза конечного результата — профессиональной компетентности выпускников — без раннего привлечения студентов к исследовательской деятельности.

В связи с переходом к многоуровневому высшему образованию (бакалавр — специалист — магистр) масштабы научных исследований в вузе возрастают. В условиях интенсивной информатизации всех сфер общественной деятельности требуются новые подходы к технологиям научных исследований.

Разработка современных автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) становится одним из приоритетных направлений в обслуживании научной деятельности вообще и, особенно, в обеспечение качества научных исследований в вузе. Общие подходы к построению и функционированию автоматизированных систем рассмотрены в работах Денисова А. А., Кукушкина А. А., Мартина Д., Мясникова В. А., Титоренко Г. А., Якубайтис Э. А. и др. Проблемы разработки автоматизированных систем в вузе освещены в работах Баданова А. Г., Берегового В. И., Богдановой С. В., Богомолова А. В., Вагра-менко Я. А., Данилюка С. Г., Каракозова С. Д., Лысогорского В С., Павлова А. А., Романенко Ю. А., Царькова А. Н. и др.

Выявление новых эффектов становится возможным благодаря повышенным требованиям к временным, точностным характеристикам систем, способности их функционирования в реальном масштабе времени, многоканальности и т. п., что достигается как за счет использования современных аппаратных и программных средств автоматизации, так и за счет их грамотной системной интеграции и применения.

Получение необходимых результатов исследований требует функционирования АСНИ на пределе своих возможностей. Для достижения этих целей разработчикам систем необходимо принимать целый комплекс решений высокого качества, что становится возможным только при наличии у них широчайшего круга знаний, практического опыта и умения систематизировать и структурировать возникающие проблемы, на каких бы уровнях это не происходило. Сочетание этих качеств в творческом многопрофильном коллективе (предметники, электроники, программисты, механики и т. д.) зачастую достаточно проблематично и в конечном итоге приводит к возникновению проблемной ситуации. Одно из возможных решений выхода из неё — создание системы интеллектуально-информационной поддержки принятия решений при разработке автоматизированных систем, которая включает в себя развитие методологических основ организации и планирования научных исследований, разработку методик анализа объектов автоматизации, развитие методов анализа и синтеза структур автоматизированных систем, обеспечивающих различные режимы их функционирования, разработку формализованных процедур выполнения работ.

При этом под научной работой студентов в рамках данной работы понимается как создание АСНИ, так и их применение в физическом эксперименте.

На основе вышесказанного можно сформулировать противоречие: с одной стороны, гипотетически возможно и реально необходимо создание, информационных средств поддержки принятия решений при разработке АСНИ в условиях вуза, с другой стороны, существующие средства автоматизации разработки АСНИ, не обладая свойствами интеллектуальности, не позволяют создавать необходимые системы силами многопрофильного коллектива разработчиков — сотрудников и студентов вуза.

Таким образом, можно сделать вывод об актуальности темы диссертационного исследования, которое посвящено решению научной задачи создания, информационных средств поддержки принятия решений при разработке АСНИ в условиях вуза.

Объект исследования — процесс автоматизации научной работы студентов по проведению экспериментов в лабораторных условиях в вузе.

Предмет исследования — тезаурусная система знаний как интеллектуальное средство автоматизации разработки АСНИ для вуза и процесс формирования на ее основе систем с повышенными требованиями к временным и точностным характеристикам.

Цель исследования — разработка алгоритмического обеспечения автоматизации научной работы студентов: тезаурусной системы знаний, системы поддержки принятия решений в ее составе, и, на их основе, АСНИ с повышенными требованиями к временным и точностным характеристикам для различных вузов.

Задачи исследования.

1. Наоснове анализа научно-методических информационных источников выявить аналоги и прототип средств автоматизации разработки АСНИ, на концептуальном уровне определить специфику их применения в условиях вуза.

2. Сформировать элементы тезаурусной системы знаний, в частности, создать тезаурус предметной области и осуществить его наполнение, формализовать знания предметной области с помощью моделей представления знаний.

3. Определить пространство решений, разработать метод поиска в нем и, в конечном итоге, создать алгоритмическое обеспечение логического вывода для интеллектуализации решения задач построения АСНИ.

4. Разработать алгоритмическое обеспечение экспертной системы (системы поддержки принятия решений), создать ее демонстрационный вариант, позволяющей решать ряд типовых задач при создании АСНИ.

5. В целях экспериментальной проверки эффективности применения интеллектуальных средств разработать АСНИ в области медицины и высокотемпературной электрохимии с помощью предложенной тезаурусной системы знаний.

Методологические основы и методы исследования.

В качестве основы выполнения поставленных задач были выбраны методы системотехники и системологии, инструментарий и методология системной интеграции, активно разрабатываемые в последнее время и приобретающие вид самостоятельной научной дисциплины, современных информационных технологий, теории принятия решений и построения экспертных систем, метод экспертных оценок, экспериментальная проверка выдвинутых положений с использованием оригинальных программных средств, разработанных автором.

Содержание работы по главам.

В первой главе диссертационной работы проведен обзор способов автоматизации процесса разработки АСНИ для вуза, выявлены аналоги средств автоматизации, предложен компилятивный прототип. Для устранения недостатков прототипа обоснована необходимость и целесообразность применения средств искусственного интеллекта, а именно, ТСЗ и ЭС в их составе. Приведены этапы формирования современных ЭС, средства, способы реализации, их классификация. Указан ЖЦ ТСЗ, на основании чего были сформулированы задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена построению теоретических положений диссертационной работы, а именно, формированию элементов тезауруса. Предложена модель пятиблочной структуры тезауруса формирования АСНИ, иерархическая модель тезауруса, позволяющая определить множество основных понятий предметной области и отношения структуризации на этом множестве. С помощью структурно-функционального моделирования выявлена специфика АСНИ, ее структура, состав подсистем, выработана концепция построения АСНИ, определены семантические отношения между элементами тезауруса. Определено общее пространство поиска решений для формирования СУВ, исследованы вопросы организации эффективной процедуры поиска решений в этом пространстве, для чего общее пространство было разделено на ряд независимых подпространств и выявлен оптимальный путь поиска решений в этих подпространствах.

В третьей главе на концептуальном уровне определены проблемы создания интеллектуальных средств поддержки разработки АСНИ, а также специфика их применения в условиях вуза: подсказывающие, направляющие и объясняющие инструменты, имитирующие последовательность действий специалиста по созданию АСНИ. Определена структура входной и выходной информации.

Создан демонстрационный вариант системы поддержки принятия решений в области формирования АСНИ. Для достижения этой цели была сформирована система продукционных правил, содержащих причинную, следственную части, номер подпространства, в котором они могут быть применены, а также весовые функции в зависимости от выбранного критерия: на основе вероятности дальнейшей успешной реализации АСНИ или ее оценочной стоимости.

В четвертой главе описаны конкретные разработки АСНИ в области высокотемпературной электрохимии, физики твердого тела и медицины на основе представленного выше концептуального подхода.

Созданные элементы тезаурусной системы знаний позволили при разработке конкретных АСНИ добиться лучших временных и точностных характеристик, большей производительности, снижения стоимости разработокполучить новый технический результат, защищенный патентом на полезную модель.

В заключении приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертационной работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

— предложенная иерархическая структурно-функциональная модель процесса функционирования АСНИ в условиях вуза позволяет осуществить качественный, формализованный выбор структуры системы;

— разработанная методика расчета весовых коэффициентов потенциально эффективных продукционных правил блока логического вывода позволяет алгоритмизировать интеллектуализацию решения задач построения АСНИ;

— алгоритмическая модель функционирования системы логического вывода, реализованная в системе поддержки принятия решений, является основой создания нескольких автоматизированных систем для проведения научных исследований, требующих получения и аналитической обработки большого количества экспериментальных данных с повышенными точностными характеристиками в режиме реального времени.

4.4. Выводы по, четвертой главе.

Созданные элементы ТСЗ позволили при разработке конкретных АСНИ добиться лучших временных и точностных характеристик, большей производительности, снижения стоимости разработок.

Так было создано несколько вариантов АСНИ кулонометрического контроля для проведения экспериментов в области высокотемпературной электрохимии, функционирующих в реальном масштабе времени в широком диапазоне (интервал между измерениями (4−10″ 7 — 1) с, время реакции системы на внешние события (8−10″ 7 — 6-Ю" 5) с).

Также был создан ряд АСНИ для исследования физиологических процессов, протекающих в биологических объектах под действием импульсов электрического тока. Применение двухуровневой системы управления, а именно, введение дополнительного блока высокоскоростного управления и контроля на базе цифровых сигнальных процессоров ADSP-2186, позволило получить новый технический результат.

Применение данных комплексов в медицинской практике и научных исследованиях позволило выявить такие эффекты, протекающие в биологических объектах как овершут, гистерезис, разработать метод высокоскоростной хронаксии, графический итерационный метод, применение которых в медицинской практике существенно повышает качество лечения и снижает его сроки [56, 57, 83, 84, 87].

Использование разработанных систем в учебном процессе позволило привлечь студентов старших курсов к участию в серьезных научных исследованиях с использованием автоматизированных систем, исключающих рутинную обработку экспериментальных данных, сосредоточиться на их анализе, получить ценные научные результаты в различных направлениях, мотивировать студентов на продолжение углубленных занятий научной деятельностью в прорывных областях химии, физики твердого тела, биологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований предложены элементы тезаурусной системы знаний и методы ее применения в процессе формирования и использования АСНИ вусловиях вуза, а также несколько конкретных АСНИ, разработанных с помощью данной методологии.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. В результате анализа научно-методических информационных источников выявлены аналоги, предложен прототип средств автоматизации*разработки АСНИ, предназначенных для использования в высшем профессиональном образовании, указаны и устранены большинство его, недостатков, на концептуальном уровне определена специфика применения интеллектуальных средств поддержки разработки АСНИ в условиях вуза: подсказывающие, направляющие и объясняющие инструменты, имитирующие последовательность действий специалиста по созданию АСНИ.

2. Предложена модель пятиблочной структуры тезаурусаформирования АСНИ. Построена иерархическая-структура тезауруса, определяющая множество основных понятий предметной области и отношения структуризации на этом множестве.

С помощью методологии структурного анализа и проектирования разработана оригинальная структурно-функциональная модель процесса функционирования АСНИ, что позволило выявить специфику АСНИ, ее структуру, состав подсистем, выработать концепцию построения АСНИ, определить семантические отношения между элементами тезауруса.

Показано, что структурно-функциональная модель функционирования АСНИ может быть использована не только в качестве базы для создания систем искусственного интеллекта в данной области, но также и автономно, на ранних стадиях разработки АСНИ для выявления потоков данных в системе, их структурирования, решения проблем неучтенности каких-либо факторов.

3. Установлено-, что ключевой? подсистемою АСНИопределяющей ее специфику и являющейся отправной точкой в процессе: ее созданияявляется системауправления-входами. Для этой системы определено пространство поиска решений-, разделенное на ряд независимых подпространств.

Предложен метод поиска решенийв фиксированном множестве подпространств. G помощью матрицы связи, между, подпространствами определена? степень влияния одних подпространств на другие, построен оптимальный путь поиска решенийв- подпространствах, позволяющий' эффективно формировать интеллектуальную систему логического вывода: выбор основных характеристик устройства ввода-вывода, определение управляющих и вычислительных сред, выбор операционной системы, определение интерфейсов? транспортировки данных, выбор способов обмена данными и определение: дополнительных. элементов устройств ввода-вывода.

4. На концептуальном уровне, определена: специфика применения: интел- • лектуальных средств поддержкигразработки: АСНИ в^{условияхвуза,} подсказывающие, направлшощие и объясняющие-инстрз^енты, имитирующие последовательность действий специалиста по созданию АСНИ. Определена структура входной и выходной информации.

На основе тезауруса формирования АСНИ разработано алгоритмическое обеспечение экспертной системы поддержки принятия решений, в том числе:

— сформирована система продукционных правил, содержащих причинную, следственную части, номер подпространства, в котором они могут быть применены, а также весовые функции в зависимости от выбранного критерия: на основе вероятности реализации АСНИ или ее оценочной стоимостиразработана авторская методика расчета весовых коэффициентов, по-. тенциально эффективных продукционных правил, на основе которой создано алгоритмическое обеспечение логического вывода с использованием продукционно-фреймовой модели представления знаний;

— разработана оригинальная математическая модель на основе продукционной и фреймовой моделей представления знаний, а также алгоритмическая модель функционирования блока логического вывода экспертной системы поддержки принятия решений.

Создан демонстрационный вариант экспертной системы поддержки принятия решений, позволяющий использовать разработанные интеллектуальные средства тезаурусной системы знаний. Проведены многократные экспериментальные проверки функционирования системы при решении ряда типовых задач в процессе создания АСНИ, что показало высокую эффективность ее применения.

5. С помощью тезаурусной системы знаний разработан и создан ряд АСНИ, не имеющих аналогов, с достаточно высокими показателями производительность-стоимость:

— несколько вариантов автоматизированной системы кулонометрического контроля, не которые могут быть применены как в научных целях для исследования быстропротекающих процессов, так и в промышленных и полупромышленных целях как эффективное технологическое средство;

— автоматизированная система медицинских исследований (электроней-ромиостимулятор), которая успешно внедрена в исследовательскую деятельность ряда образовательных и научных учреждений, запущена в серийное производство.

В данной АСНИ реализован новый технический результат заключающийся в применении двухуровневой системы управления, что позволило реализовать быстродействующий генератор импульсной последовательности и быстродействующую обратную связь, характеристики которых удовлетворяют требованиям современных задач медицины. Применение АСНИ данной серии позволило получить ценные научные результаты в области медицины и биологии.

6. Разработанные АСНИ успешно внедрены в, исследовательскую деятельность ряда вузов и научных учреждений. Использование разработанных систем в учебном процессе позволило привлечь студентов старших курсов к участию в серьезных научных исследованиях с использованием автоматизированных систем, исключающих рутинную обработку экспериментальньрс данных, сосредоточиться на их анализе, получить ценные научные результаты, в. различных направлениях, мотивировать студентов на продолжение-углубленных занятий научной деятельностью в, прорывных областях химии, физики твердого тела, биологии.

Дальнейшее развитие представленной работы может быть проведено по следующим направлениям: выявление глубинных знанийих концептуализация и формализациядетализация знаний, наполнение ими системы продукционных правилсовершенствование системы логического вывода, расширение пространства поиска решений как путём включения в него новых подпространств, так и детализации старых—доработка СППР до промышленного уровня, снятие для этих целей’ряда ограничений, разработка специального языка общения эксперта с СППР, развитие способности СППР вывода новых знаний и т. п.

Разработанная основа для построения ИС в области создания АСНИ, а также методика формирования, интеллектуальных средств разработки могут быть успешно применении в других, смежных областях знаний, не связанных с разработкой АСНИ. К таковым можно отнести, например, АСУТП, создание каких-либо узлов электронных устройств, проектирование ПО для определенных целей и т. п.

Теоретические результаты исследований в полной мере были опубликованы в. журналах «Датчики и системы» в № 6, 2004 г. [52], в сборниках научных трудов, выпущенных Институтом математики и механики УрО РАН [51, 79] и доложены на следующих конференциях, по результатам которых были выпущены сборники научных трудов:

1. Международный, научно-практический семинар «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах», 20−24 ноября 2001 г., г. Нижний Новгород [50].

2. Международная конференция IASTED «Автоматизация, контроль и информационные технологии» 10−13 июня 2002 г., г. Новосибирск [10, 11].

3. IV Международная конференция «Моделирование и управление в сложных системах», 17−23 июня 2002 г., г. Самара [8].

4. V международная конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и биологии», 25−28 июня 2002 г., г. Владимир [7].

5. X международная конференция IEEE «Цифровая обработка сигналов», 13−16 октября 2002 г., Пайн Маунтэйн, штат Джорджия, США [9]. Для поездки-на конференцию в США был получен трэвел грант № 814 фонда гражданских исследований GRDF.

6. XXXV региональная молодежная школа-конференция «Проблемы теоретической и прикладной математики», г. Екатеринбург, 26−30 января'2004 г. [81].

7. XXI международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях», г. Саратов, 27−31 мая 2008 г. [82].

9. II межвузовская научно-методическая конференция «Шуйская сессия, студентов, аспирантов, молодых ученых», Москва-Шуя, 2009 г. [72].

Применение теоретических положений диссертационной работы в практике позволило разработать и создать ряд АСНИ с достаточно высокими показателями производительность-стоимость.

Разные варианты АСКК (результаты опубликованы в № 6 за 2003 г. журнала «Приборы и техника эксперимента» [49]) могут быть применены как в научных целях для исследования быстропротекающих процессов, так и в промышленных и полупромышленных целях как эффективное технологическое средство. При этом разработанные системы не имеют аналогов.

Разработанная АСНИ «Магнон-200К» защищена патентом на полезную модель № 32 697 [ 94] и совместно с другими АСНИ серии «МАГНОН» успешно внедрена в исследовательскую деятельность студентов, аспирантов и ученых Уральской государственной медицинской академии, научно-практического реабилитационного центра «БОНУМ», института физики металлов УрО РАН, Уральского государственного технического университета — УПИ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина.

Применение АСНИ данной серии позволило получить ценные научные результаты в области медицины, фармакологии, физики. Результаты исследований были опубликованы в журнале «Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры» в 2005;2006 гг. [83, 84], в вестнике УГТУ-УПИ [87], в сборниках трудов конференций «Новые технологии восстановительной медицины и курортологии 2002» (Тунис, Хаммед) [57], «Новые технологии в медицине 2004» (г. С.-Петербург) [80] и др.

Новые технические решения, примененные в данных разработках, могут также быть использованы для создания подобных систем в других отраслях знаний.