Исследование и разработка программного обеспечения задач планирования действий

Одним из основных направлений прогресса является автоматизация с помощью средств вычислительной техники процессов решения задач в сфере научно-технической деятельности человека: планирование поведения в сложных средах, проектирование и конструирование, синтез программ, доказательство теорем, игры и другие задачи, которые принято считать интеллектуальными.

В нашей стране таким задачам придается важное, государственное значение. Об этом свидетельствует постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве», принятое в августе 1983 года, в котором «ЦК КПСС и Совет Министров СССР определили в качестве одного из главных направлений работы по ускорению научно-технического прогресса широкую автоматизацию технологических процессов на основе применения автоматизированных станков, машин и механизмов, унифицированных модулей оборудования, робо-тотехнических комплексов и вычислительной техники» /34/.

Основные направления развития вычислительной техники в автоматизации современных систем управления отразились в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I95 годы и на период до 1990 года»: «На основе использования достижений науки и техники: развивать производство и обеспечить широкое применение автоматических манипуляторов (промышленных роботов), встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, создавать автоматизированные цехи и заводы.» .

Из класса интеллектуальных задач можно выделить множество задач, называющихся задачами планирования действий. Решение их весьма актуально.

Задачи планирования действий (ЗГЩ) определяются заданием:

— модели исходной ситуации, описывающей исходную ситуацию среды;

— модели целевой ситуации, описывающей желаемую ситуацию среды;

— операторов-моделей возможных действий для воздействия на эту среду;

Решение ЗЦД состоит в поиске последовательностей операторов, преобразующих модель исходной ситуации в модель целевой ситуации, и моделировании выполнения этих последовательностей на ЭВМ.

Под ситуацией понимается конкретное статическое состояние среды. Описание ситуации задается перечислением свойств, состояний й отношений между объектами среды.

Среду будем называть сложной, если она характеризуется:

— громоздкостью: среда включает много объектов, связи с которыми не полностью определены;

— разнородностью: для среды характерно многообразие объектов и отношений;

— динамичностью: в среде существуют факты и действия, явно зависящие от времена.

Система, решающая ЗЦД, называется Системой планирования действий (СПД). Таким образом, СЦЦ на основе знаний, представляемых моделями исходных и целевых ситуаций и возможных операторов:

— осуществляет механизм, обеспечивающий планирование последовательностей операторов, преобразующих модель исходной ситуации в модель целевой ситуации;

— моделирует выполнение запланированных действий.

К ЗЦЦ сводится большой класс задач робототехники, автоматизации научных исследований и проектирования, автоматический синтез программ. Большое народнохозяйственное значение имеет использование СЦЦ для решения задач планирования действий роботов, задач радиационной химии, в частности для прогнозирования восстановления-окисления ионов различных металлов. Перспективно применение СЦЦ для принятия многошаговых решений в АСУ и для решения задач, связанных с работами «. в области создания гибких автоматизированных производств и систем автоматизированного проектирования и их использования в народном хозяйстве» /34/.

Цель работы состоит в разработке метода построения и реализации конкретной СЦЦ, названной СЦЦОТ (система планирования действий на основе ТБШЮС), которая должна быть универсальной (не должна зависеть от конкретных предметных областей), мобильной, легко представляемой на разных ЭВМ и решающей реальные ЗЦЦ в сложных средах. СЦЦОТ должна:

— использовать для представления знаний систему, основанную на современных методах организации баз данных;

— обеспечивать процесс поиска решений задач;

— организовывать процедуры обобщения конкретных результатов решения задач для создания классов задач;

— выполнить запланированные действия.

Научная новизна проведенной работы состоит в том, что построена система планирования действий СЦЦОТ на базе подходов логических систем и логико-лингвистических моделей, которая решает задачи не только с помощью этих подходов, но и смешанным подходомее можно представить в следующем виде: модель предметной области должна иметь вид, типичный для логико-лингвистических моделей, Если конкретная задача полностью решается по данной модели, т. е. является конкретизацией одного из классов решаемых задач, задачу полностью решает метод логико-лингвистических моделей. В случае возникновения непредвиденных ситуаций должна срабатывать стратегия поиска решений логических систем, на которую возлагается задача планирования достижения целевой ситуации.

СЦЦОТ осуществляет перепланирование в случае невозможности выполнения запланированных действий при возникновении новых событий в среде в процессе моделирования выполнения планов.

СЦЦОТ способна функционировать также вместе с лингвистичес-ко-фреймной подсистемой диалоговой информационно-логической системы ТБИДОС /35/, обеспечивающей возможность обращения к СПДОТ на естественном языке. Это дает возможность использовать диалоговый режим в описании моделей исходной и целевой ситуации и операторов, а также для уточнения некоторых решений, принимаемых составными частями СЦЦОТ.

В СЦЦОТ применяется новый метод синтеза самоуправляющихся объектов МВД, называемый самосинтезом, который позволяет динамически использовать управляющие объекты и результаты обобщения.

Практическая ценность полученных результатов заключается в создании СЦЦОТ, которая может быть применена для решения реальных ЗПД в сложных средах.

Система планирования действий СЦЦОТ:

— формирует модель предметной области в виде классов задач с соответствующими решениями;

— осуществляет решение задач с помощью конкретизации плана в том случав, если существует класс, к которому относится поставленная задача, или дедуктивной стратегий, если такого класса не существует;

— обобщает решенные задачи и соответствующие планы и пополняет ими модель предметной области;

— реализует процесс перепланирования в случае невозможности выполнения планов.

На основе разработанной методики реализована СПДОТ для машин серии ЕС в операционной системе ОС. Все программы написаны на языке Лисп /20,22,43/, а некоторые методы представлены с помощью объектов Модельной базы данных системы ТЕШЮС.

СЦЦОТ была использована для решения задач радиационной химии, в частности задач прогнозирования окисления-восстановления ионов различных металлов. Она внедрена в Институте неорганической химии и электрохимии АН ГССР.

Основные результаты работы докладывались на семинарах отдела программирования в Институте вычислительной математики АН ГССР, на втором, четвертом и шестом грузинских республиканских семинарах «Интерактивные системы» (Боржоми, 1980; Сухуми, 1982; Батуми, 1984), на Всесоюзных конференциях «Диалог Человек-ЭВМ» (Ленинград, 1982; п. Протвино Московской обл., 1983), на конференции «Семантические вопросы искусственного интеллекта» (Киев, 1982), на семинаре «Диалоговые и обучающие системы» (Ужгород, 1984), а также опубликованы в работах /1−5, 36/.

СОДЕРЖАНИЙ РАБОТЫ. В главе I дается критический обзор имеющейся литературы по СПД, выявляются общие принципы планирования, на основе представления знаний и поиска решения выделяются четыре подхода к построению СЦЦ (логический, теоретико-графовый, процедурный и логико-лингвистические модели), приводятся основные характеристики этих подходов, обосновывается подход, предпринятый в настоящей работе и формулируются требования, которым должна удовлетворять СЦЦОТ, реализованная на базе предложенного подхода.

В главе 2 рассматривается система ТЕШЮС, на основе которой построена СПДОТ, описываются структура системы, объекты Модельной базы данных (МБД), логический процессор и модификатор, обосновывается возможность ее применения в качестве аппарата реализации СЦЦОТ, а также для представления операций семиотического языка, являющегося основой логико-лингвистических моделей, и дедуктивной стратегии логической системы, STtiiP?.

В главе 3 описываются смешанный подход планирования и принципы организации процессов решения на уровнях стратегического планирования, оперативного планирования и выполнения плана. Рассматриваются представления знаний в СЦЦОТ, формулировки ЗЦЦ, структура модели предметной области, дедуктивная стратегия поиска решения, процедуры обобщения, процедура расширения предметной области, представления планов в СЦЦОТ, процессы перепланирования и самосинтеза.

В главе 4 показана возможность применения СЦЦОТ для решения прикладных ЗЦЦ: задач радиационной химии и автоматического синтеза лисповских функций.

В заключении сформулированы выводы, полученные в результате выполнения работы.

В приложении приведены программы процесса планирования, осуществленные в СЦЦОТ на языке программирования Лисп, для ЕС-ЭВМ в операционной системе ОС.

4.3. Выводы.

1.Показана возможность применения СПД для решения задач радиационной химии, в частности радиационно-химического окисления-восстановления ионов различных металлов.

2.Получены возможные последовательности схем реакций и выбраны из них оптимальные по различным критериям. Это позволило провести эксперименты по найденному, более вероятному плану решения задач и при этом сократить количество экспериментов.

3.Получены решения конкретных задач автоматического синтеза лисповских программ на уровне оперативного планирования в виде последовательностей функций, выполнение которых преобразует начальное состояние базы данных в целевое.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1.Выявлены общие принципы планирования, на основе которых выделены четыре подхода к построению систем планирования действий: логический, теоретико-графовый, процедурный и логико-лингвистические модели и разработан смешанный подход к решению задач планирования действий, объединяющий положительные стороны логических систем и логико-лингвистических моделей.

2.Выделены иерархические уровни процесса планирования для систем смешанного подхода: стратегическое планирование, оперативное планирование и выполнение плана. Разработаны принципы планирования на этих уровнях.

3.Реализована система планирования действий СЦЦОТ на основе смешанного подходаона способна решать задачи и автономно по принципам планирования логических систем и логико-лингвистических моделей. В качестве аппарата реализации используется диалоговая информационно-логическая система ТЕШЮС.

4.Реализованы процедуры обобщения по признакам и с помощью расширения классов, что дает возможность использовать опыт работы системы при ее последующем применении.

5.Разработана структура представления планов с помощью частично упорядоченных последовательностей операторов, преобразуемых в дерево действий.

6.Предложен и реализован процесс перепланирования последовательности действий при невозможности осуществления построенного планаприменение его приводит к повторному использованию наибольшего количества усилий, затраченных при исходном планировании.

— но.

7.Предложен и реализован самосинтез — метод синтеза закономерностей — самоуправляющихся объектов модельной базы данных, что позволяет динамически использовать управляющие объекты и результаты обобщения.

8.С помощью СПДОТ решены прикладные задачи планирования действий: задачи прогнозирования радиаыионно-химического окисления-восстановления ионов различных металлов и задачи автоматического синтеза лисповских программ над базами данныхполученные экспериментальные данные подтверждают достоверность работы системы.