Автоматизация принятия решений на основе семантического анализа иерархических и сетевых моделей

Характерной чертой многих технических, экономических, социальных, управленческих и других проблем является наличие нескольких альтернативных вариантов их решения. Таким образом, задачу принятия решений (ЗПР) можно считать одной из самых распространенных в любой предметной области. Процесс анализа и решения ЗПР в большинстве случаев заключается в генерации возможных альтернатив, их оценке и выборе альтернативы, наиболее предпочтительной для лица, принимающего решение (J11IP), в контексте имеющейся ситуации.

Среди особенностей, присущих большинству реальных ЗПР, можно в первую очередь выделить:

• трудноформализуемость, обусловленную неполнотой исходной информации, отсутствием ресурсов на проработку всех альтернатив, наличием большого числа критериев оценки и выбора, имеющих сложную структуру взаимосвязи, а зачастую и противоречащих друг другу, необходимостью обработки и сопоставления качественных понятий;

• уникальность, которая во многих случаях связана с принципиальной новизной возникающих задач, отсутствием у J11 IP опыта их решения, а также отсутствием во многих предметных областях международных стандартов, регламентирующих наборы критериев и методики критериального оценивания;

• тенденцию к удорожанию ошибок, связанных с неверно принимаемыми решениями.

Все это обусловливает необходимость автоматизированной поддержки методов, позволяющих заранее оценить последствия каждого решения, исключить недопустимые варианты и рекомендовать наиболее удачные. Важную роль при разработке таких методов играет построение математических моделей принятия решений (ПР), учитывающих особенности структуры исходной информации и не противоречащих интуитивным представлениям JII IP о предпочтительности того или иного решения в условиях конкретной задачи.

Научным направлением, лежащим в основе моделирования процессов ПР при многих критериях, является методология многокритериального анализа решений. В последнее время наблюдается развитие в ее рамках методов, ориентированных на учет и формализацию ситуаций, связанных с наличием взаимовлияния элементов ЗПР, выражающегося в первую очередь в форме взаимной зависимости критериев и альтернатив. Среди таких методов можно в первую очередь выделить семейство методов иерархического и сетевого анализа. Вместе с тем, многие из них сложны для алгоритмической реализации и требуют разработки новых моделей для каждой решаемой задачи в рамках общей предметной области. На практике, при решении даже относительно простых (в смысле количества критериев, альтернатив, связей и др. элементов модели) задач, приходится выполнять значительный объем работы, связанной с получением оценок интенсивности взаимосвязей. С повышением же сложности модели, дополнительно усложняется проверка ее корректности, в частности, возможна потеря значимых компонентов.

Таким образом, можно сделать вывод об актуальности работ, направленных на построение, исследование и поддержку математических моделей ПР в условиях взаимной зависимости критериев и альтернатив, для исследования всего комплекса проблем автоматизации принятия решений.

Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, методов и средств автоматизации процессов многокритериального выбора решений в условиях взаимной зависимости критериев и альтернатив и наличия качественных оценок.

При выполнении исследований и решении поставленных в работе задач использовались научные положения системного анализа, теории принятия решений и инженерии знанийматематические методы принятия решений при многих критериях, в том числе методы анализа иерархий (МАИ) и сетей.

MAC) — элементы теории нечетких множеств и лингвистических переменных.

При разработке программных модулей использовались объектно-ориентированные технологии проектирования, СОМ-технологии и стандарт XML обмена информацией.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана концепция семантического расширения иерархических и сетевых моделей ПР на основе двухуровневого представления базы знаний, описывающей предметную область.

2. Построена многоуровневая модель описания предпочтений J11 IP на основе иерархической и сетевой декомпозиции задачи.

3. Разработаны методы автоматизации построения, проверки и корректировки модели ЗПР на основе семантического описания предметной области.

4. Предложена методика формирования семантического описания предметной области в задачах выбора программно-технических средств на основе международного стандарта ISO 9126:1991.

Практическую ценность работы составляют:

1. Созданный программный комплекс поддержки принятия решений, применение которого при анализе задач многокритериального выбора в условиях взаимной зависимости критериев и наличия качественных оценок позволяет снизить трудоемкость анализа и повысить научно-техническую обоснованность принимаемых решений.

2. Разработанные методы применения стандарта ISO 9126:1991 при выборе оптимальной конфигурации программно-технических средств.

3. Предложенные методы применения моделей семантического расширения для задачи выбора оптимальной конфигурации программно-технических средств.

Цель и поставленные задачи определили структуру работы:

В первой главе рассмотрены типичные задачи принятия решений, дано их формализованное описание и классификация на основании работ В. И. Аверченкова, А. В. Андрейчикова, P.JI. Кини, О. И. Ларичева, В. В. Мирошникова, Т. Саати, X. Райфа, Э. А. Трахтенгерца, Э. Формана и других. Рассмотрены существующие математические модели и методы поддержки ПР в условиях много-критериальности, нечеткости оценок и взаимного влияния критериев. Проанализированы источники появления взаимной зависимости критериев и влияние учета обратных связей на получаемые результаты. Проведены анализ и сравнение возможностей наиболее распространенных универсальных программных систем поддержки принятия решений (Ci II IP), по результатам чего сделан вывод об актуальности проблемы автоматизации принятия решений в условиях взаимной зависимости критериев и альтернатив. Исходной базой автоматизации является разработка математических моделей и методов ПР, эффективность которых во многом определяется использованием формализованного представления предметной области, а также учетом качественных оценок и взаимного влияния элементов модели.

Сделан вывод, что при анализе и решении многокритериальных ЗПР в условиях взаимной зависимости критериев и наличия качественных оценок наиболее перспективным является использование МАИ и MAC. Вместе с тем, требуется разработка концепции семантического расширения иерархических и сетевых моделей, которая позволила бы выполнять автоматизированное построение моделей конкретных ЗПР на основе семантического описания предметной области, проводить проверку корректности и обоснованности построенных моделей, повторно использовать ранее созданные модели.

Во второй главе рассматривается структура и свойства объекта исследования — многокритериальной задачи выбора и ранжирования альтернатив с детерминированными исходами в условиях взаимной зависимости критериев и наличия качественных оценок. На основании результатов исследования свойств, присущих данной объекту исследования, с учетом теории принятия многокритериальных решений и системного подхода разработан обобщенный алгоритм анализа и решения задачи, сформированы информационные модели его этапов. По результатам построения обобщенного алгоритма и информационных моделей определяется набор математических моделей, разработка и исследование которых необходимы для решения выбранной задачи и обеспечения автоматизированной поддержки процесса решения.

Третья глава посвящена исследованию математических моделей принятия решений в условиях взаимной зависимости критериев и альтернатив. Строится математическая модель разработанной концепции семантического расширения. Представлены модель предпочтений JII IF, строящаяся путем совместного применения иерархических и сетевых структур, модели критериального оценивания, основанные на получении оценок альтернатив, сил связей и видов взаимодействий путем применения различных методов оценки. Также предлагается метод синтеза оценок предпочтительности альтернатив и вкладов элементов модели, основанный на применении комбинации иерархических и сетевых моделей принятия решений, и рассматривается модель синтеза обобщенных оценок.

В четвертой главе рассматриваются вопросы разработки программного комплекса (ПК) поддержки семантического моделирования и принятия решений в условиях взаимной зависимости критериев и альтернатив. Требования к ПК формируются с учетом разработанных моделей принятия решений и принципов визуального проектирования. Определены и формализованы основные понятия, связанные с представлением объектов и отношений между ними. Приводятся функциональные характеристики разработанного программного комплекса, описание его структуры и принципов работы. Анализируются возможные пути развития и применения программного комплекса.

В пятой главе освещаются вопросы, связанные с применением разработанной концепции семантического расширения и программного комплекса при решении практических задач. Рассмотрено построение семантической модели предметной области программно-технических средств, включающее в себя предварительный выбор, формализацию и обоснование набора исходных данных, отражающих общие особенности потребителей и этапы жизненного цикла программных систем (ПС). На основе построенной семантической модели формализована и решена задача выбора системы управления базами данных (СУБД) для отдела «АСУ ВУЗ» технического университета. Также решена задача обоснования выбора открытия новой специализации на кафедре технического вуза. Проведено сравнение функциональных возможностей разработанного программного комплекса и существующих СППР, основанных на применении МАИ и MAC.

Результаты исследований позволили сформировать следующие положения, выносимые на защиту:

1. Концепция семантического расширения иерархических и сетевых моделей ПР.

2. Обобщенный алгоритм и информационная модель анализа и решения многокритериальной задачи выбора в условиях взаимной зависимости критериев и альтернатив.

3. Многоуровневая модель описания предпочтений ЛПР на основе иерархической и сетевой декомпозиции задачи.

4. Модели синтеза оценок предпочтительности альтернатив при использовании концепции семантического расширения.

5. Структура программного комплекса поддержки семантического моделирования и принятия решений в условиях взаимной зависимости критериев и альтернатив.

6. Модели и методы формирования семантического описания предметной области для выбора программно-технических средств на основе международного стандарта ISO 9126:1991.

7. Методика применения семантического расширения для решения задачи выбора оптимальной СУБД и принятия решения об открытии специальности в вузе.

5.5. Выводы по главе.

1. Предложены модели и методы формирования семантического описания предметной области для выбора программно-технических средств на основе международного стандарта ISO 9126:1991 и проекта стандарта ISO 9126:1−4.

2. Разработана методика применения построенной семантической модели для решения задач выбора оптимальных ПС, которая была протестирована с применением разработанного программного комплекса при решении задачи выбора оптимальной СУБД.

3. При исследовании области применения разработанных моделей и программного комплекса решена задача обоснования выбора открытия новой специализации на кафедре технического вуза, на примере которой также показана возможность решения задачи прогнозирования изменения предпочтений на основе метода динамических приоритетов.

4. Проведено сравнение разработанного программного комплекса с конкурирующими программными продуктами, показавшее значительное уменьшение временных затрат на разработку математических моделей, большую устойчивость и обоснованность получаемых решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа «Автоматизация принятия решений на основе семантического анализа иерархических и сетевых моделей» выполнена в Брянском государственном техническом университете.

При проведении научных исследований, связанных с темой диссертационной работы, и решении поставленных в работе задач были достигнуты следующие результаты:

1. Предложена и исследована концепция семантического расширения иерархических и сетевых моделей ПР, позволяющая автоматизировать построение моделей ЗПР в различных областях и обеспечивающая повышение устойчивости и научной обоснованности принимаемых.

2. Равряйяйана общая методология анализа и решения многокритериальной задачи выбора альтернатив в условиях взаимной зависимости критериев и наличия качественных оценок, с определением основных этапов данного процесса и информационных связей между ними.

3. Построена многоуровневая модель предпочтений ЛПР на основе иерархической и сетевой декомпозиции задачи, обеспечивающая учет различных видов взаимодействия между ее компонентами.

4. Разработана модель синтеза обобщенных оценок предпочтительности альтернатив, основанная на концепции семантического расширения и использующая комбинации иерархических и сетевых моделей ПР.

5. Создан программный комплекс поддержки математического моделирования и принятия решений в условиях взаимной зависимости критериев и альтернатив, обеспечивающий поддержку семантического расширения иерархических и сетевых моделей ПР и инвариантный по отношению к предметной области.

6. Разработаны модели и методы формирования семантического описания предметной области для выбора программно-технических средств с использованием международного стандарта ISO 9126:1991, на основе которых создана методика решения задачи выбора оптимальной СУБД. 7. Исследована возможность применения разработанных моделей в социально-экономической области, в результате чего предложена методика решения задачи выбора специальности для открытия в вузе с прогнозированием динамики изменения приоритетов.

Результаты выполненных исследований были использованы при решении задач выбора программно-технических средств и открытия новой специализации в БГТУ, а также нашли применение в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Интеллектуальные системы», «Методы принятия решений». Разработанные математические модели, методики и ПК Network Decision Analityc внедрены в АБ Газпромбанк (ЗАО) в филиале г. Брянска и используются в работе кредитно-аналитического отдела. Основные положения диссертации опубликованы в работах [2, 5, 6, 16, 17, 50].