Комплекс средств адаптации информационных систем поддержки принятия решений в области экономики

Актуальность темы

исследования. В течение последних 3−5 лет произошло значительное расширение сферы практического применения информационных технологий и систем в управления в социальных и экономических системах. В определенной степени это объясняется появлением на рынке готовых к использованию информационных систем (ИС) различного класса (DSS — систем поддержки принятия решений, MIS — информационных систем менеджмента, EIS — информационных систем контроля исполнения решений, RMIS — информационных систем риск-менеджмента и других). Появились технологии организации, хранения и отображения данных, адаптированные специально к сверхбольшим массивам экономической информации, такие как хранилища и витрины данных, интеллектуальный анализ данных, оперативная аналитическая обработка [35]. Необходимо отметить, эти программные имеют высокую стоимость и сами по себе сложны в инсталляции и эксплуатации [1], но еще более трудоемкой и сложной является задача подготовки для них информационного обеспечения, адекватно отображающего объекты и связи предметной области.

В современных условиях принятие решений в области экономики связано с проблемными ситуациями, которые являются редко повторяющимися уникальными, заранее не предсказуемыми событиямирешение необходимо принимать в отсутствии исчерпывающей априорной информации, при жестких временных ограничениях. В этих условиях не применимы обычные методы структурного проектирования информационных систем, а существующие ИС с фиксированной жесткой структурой не обеспечивают требуемое качество информационной поддержки решений в условиях динамично изменяющихся проблемных ситуаций.

Традиционные ИС не имеют, как правило, в своем составе элементов адаптации, их адаптация по существу заключается в повторной разработке и смене версий. Между тем, такие компоненты концептуальной структуры как схема базы данных, классификаторы, тезаурус, база знаний, кластеры, агрегаты данных, включаемые обычно в состав ИО и ЛО, имеют чрезвычайно высокую трудоемкость разработки. Зн ачительные сроки разработки информационного обеспечения становятся особенно неприемлемыми в случае динамично изменяющихся предметных областей [77]. Компоненты информационной системы должны автоматически адаптироваться и видоизменяться соответственно состоянию проблемной ситуации и стадии подготовки и принятия решения.

Предлагаемые в диссертационной работе модели, алгоритмы и информационные технологии адаптации ИС позволяют им работать в ритме деятельности лица, принимающего решение и перестраивать компоненты информационного обеспечения по мере того, как пользователь переходит от одной проблемной ситуации к другой. Благодаря этому достигается повышение точности, полноты и своевременности выдачи информации лицу, принимающему решение. В диссертации изложены научно обоснованные технические и технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны в части разработки адаптивных информационных систем поддержки решений в области экономики.

Целью данного исследования является разработка методологии, моделей, алгоритмов и программных средств автоматизации создания {синтеза) информационного и лингвистического обеспечения ИС поддержки принятия решений, обеспечивающих повышение производительности разработки и последующую адаптацию ИО и ЛО к изменениям предметной области, и на этой основе — повышение пертинентности и своевременности выдачи информации лицу, принимающему решение и в конечном итоге — повышение качества и эффективности решений в области экономики.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. На основе анализа процесса принятий решений выявить компоненты информационного обеспечения, автоматизация разработки и последующая адаптация которых обеспечивает сокращение сроков создания ИО и ЛО и определяет способность И С описывать состояние объектов и отношений динамично изменяющейся предметной области с требуемым для принятия решений уровнем детальности.

2. Разработать математическую модель прогнозирования интенсивности потока запросов к распределенной базе данных ИС и метод адаптации (тьюнинга) БД к изменениям интенсивности потока запросов.

3. Разработать математическую модель, алгоритмы и программные средства автоматического формирования запросов к базе документальных данных на основе обратной связи, как средства повышения комфортности естественно-языкового интерфейса и адаптацииИС к изменениям информационной потребности пользователей.

4. Разработать модели, алгоритмы и методы построения автоматического построения классификационной схемы полнотекстовой базы данных.

5. Разработать математическую модель, алгоритмы и программные средства синтеза псевдотезауруса как основы динамически формируемой базы знаний, отслеживающей изменения предметной области.

6. Разработать модели и программные средства формирования и адаптации концептуальной схемы базы данных к проблемной ситуации и составу приложений.

7. Разработать модели и программные средства многокритериальной оценки и выбора вариантов решений на основе фактов, хранящихся в базе данных и весовых оценок их значимости для гипотез.

Объектом исследования являются информационные системы поддержки принятия решений, параметры и структура которых настраиваются на проблемную ситуацию за счет применения программных средств анализа данных об объекте информатизации;

Предметом исследования являются:

• Процессы и модели принятия решений в проблемных экономических ситуациях, основанные на современных информационных технологиях поддержки решений.

• Технология автоматизированного создания компонент информационного и лингвистического обеспечения, основанная на применении сочетания статистических алгоритмов, алгоритмов кластерного анализа методов дискретной оптимизации и интеллектуального анализа данных;

• Базы реальных данных, большого объема в сфере управления в социальных и экономических системах «МАЯК» (задачи «Справки», «Архив», «Письма»), МИД РФ (задачи «Двусторонний договор» и «Многосторонний договор» подсистемы Правового Управления), ГАС «Выборы» (функциональный комплекс задач «Право») и других, содержащие описания динамических проблемных ситуаций, используемых для адекватного отображения в структуре адаптивной информационной системы.

Научная новизна выносимых на защиту положений заключается в следующем:

Впервые обосновано теоретическое положение, в соответствии с которым компоненты информационного и лингвистического обеспечения, определяющие выразительную силу языка информационной системы и как следствие, эффективность и качество решений должны автоматически формироваться и настраиваться на проблемную ситуацию и стадию ее решения.

Впервые исследовано и обосновано включение в состав ИС в качестве постоянного компонента модуля адаптации, реализованного в виде комплекса, математических моделей и алгоритмов самообучения, кластерного анализа, интеллектуального анализа данных и формирования базы знаний. В отличие от существующих методов проектирования ИС (SADT, RAD), которые предусматривают главным образом автоматизацию документирования разработки ИС и требуют исчерпывающего априорного описания предметной области, предлагаемая методология реализует первоначальный синтез элементов концептуальной структуры ИС и последующую их подстройку к изменениям структуры и функций объекта. Это позволяет приступать к созданию ИС при отсутствии исчерпывающей информации о структуре и функциях объекта информатизации, а в последующем корректировать ее параметры.

С целью повышения эффективности принимаемых решений в условиях, когда проблемные ситуации являются редко повторяющимися уникальными, заранее не предсказуемыми событиями, предложены модели, алгоритмы и программные средства оценки гипотез, использующие методы экспертных систем (критерии Шортлифа-Бьюкенена и Демпстера-Шейфера);

Разработаны модели и алгоритмы естественно-языкового общения пользователей с ИС принятия решений в экономике с использованием привычных для него бизнес-понятий, учитывающие современные требования повышения комфортности интерфейса пользователейруководителей высокого уровня, действующих в условиях высокой степени риска, дефицита времени на подготовку решений;

Предложена методология синтеза элементов концептуальной структуры ИС на основе статистического анализа ковариационных связей и оценки параметров распределения потока заданий и запросов, модель итерационного поиска и формирования базы знаний (псевдотезауруса) с учетом статистической зависимости бизнес-терминов, алгоритмов кратчайшего пути и минимального покрывающего дерева;

• Разработана модель прогноза числа запросов к записям базы данных в сети взаимосвязанных информационных центров на основе теории ветвящихся случайных процессов для адаптации базы данных к изменениям интенсивности потока запросов. Методы исследования. Основные результаты работы получены на базах реальных данных большого объема систем «МАЯК» (задачи «Справки», «Архив», «Письма»), МИД РФ (задачи «Двусторонний договор» и «Многосторонний договор» подсистемы Правового Управления), ГАС «Выборы» (функциональный комплекс задач «Право»), в разработке которых принимал участие автор, с использованием методов математической статистики, исследования операций, модальной логики, теории решеток.

Достоверность полученных результатов проверялась в процессе приемосдаточных испытаний и последующей эксплуатации информационных систем, разработанных с участием автора и использовавших предложенные в настоящей работе модели и методы. Адекватность полученных с применением предлагаемых моделей и программных средств результатов пользовательским требованиям оценивалась также путем их содержательной интерпретации пользователями системы.

Практическая значимость результатов работы определяется тем, реализован и внедрен комплекс алгоритмов и программ в виде специального программного обеспечения (СПО), прошедший испытания и показавший эффект в виде повышения производительности разработки компонент ИО и ЛО по оценкам, полученным в ходе испытаний в 1,8 раза и увеличении скорости итерационного поиска на больших (свыше 50 тыс. записей) в 2 раза. На основе предлагаемых моделей и методов был разработан и внедрен комплекс средств адаптации элементов концептуальной структуры систем принятия решений в области экономики, реализующий следующие функции:

— Прогнозирование интенсивности потока запросов и адаптацию базы данных к ее изменению;

— Естественно-языковый интерфейс с базой данных, включая автоматическое уточнение запроса на основе обратной связи, автоматическое формирование псевдотезауруса и его применения в качестве навигатора при осуществлении направленного поиска в динамически формируемой базе документов для вновь возникшей проблемной ситуации;

— Моделирование обработки информации для принятия решений с использованием Байесовских деревьев вывода, теории уверенности Шортлифа, Бьюкенена, Демпстера-Шейфера;

Синтез и последующую адаптацию логической структуры базы данных, за счет повторного построения матрицы инциденций атрибутов и применения алгоритмов оптимального разрезания представляющего ее графа.

Внедрение результатов.

Предлагаемый в работе комплекс моделей, методов и программных средств внедрены и прошли апробацию в процессе разработки и эксплуатации информационных систем с элементами искусственного интеллекта, в создании которых принимал участие автор. К числу этих систем относятся Государственная автоматизированная система «Выборы» — функциональный комплекс задач «Право», АИС «Налог», Подсистема Правового управления Информационной Системы МИД РФ, ИС «Маяк», Сеть автоматизированных центров Научно-технической информации (САЦ НТИ) и ряда других систем общегосударственного уровня.

Естественно-языковый интерфейс, включая поиск документов с использованием алгоритмов обратной связи по релевантности, автоматического формирования псевдотезауруса, создание и использование навигатора нашли применение при создании ИС «Маяк», ИС МИД РФ, АИС ГАС ВЫБОРЫ. Результаты работы были использованы при постановке курсов лекций и практических работ по дисциплинам «Моделирование информационных систем», «Банки и базы данных и знаний» в МИРЭА, курсов лекций и лабораторных работ по дисциплинам «Информационные системы» ,.

Проектирование информационных систем", «Математические основы информационных систем «в РЭА им. Г. В. Плеханова, отражены в двух монографиях «Теоретические основы информатики», а также в работе по подготовке учебного плана по дисциплине «Информационные системы в экономике» и учебного курса и учебного пособия «Интеллектуальные информационные системы», выполненных по гранту Международного банка реконструкции и развития в РЭА им. Г. В. Плеханова. Разработан и внедрен также комплекс лабораторных работ, программно реализующих все основные стадии полнотекстового поиска документов, автоматизации формирования и оптимизации структуры баз данных и базы знаний.

Теоретическая ценность. Основные теоретические результаты работы представлены в опубликованных по теме диссертации трех монографиях: «Теоретические основы информатики» — 1993 г., «Теоретические основы информатики. Информационные структуры и фактографический поиск информации» — 1996 г., «Интеллектуальные информационные системы в экономике» — 2002 г.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на следующих семинарах, конференциях и симпозиумах:

• Международная научно-методическая конференция «Наукоемкие технологии образования». Головной совет межвузовской комплексной программы «Наукоемкие технологии образования». Таганрогский Государственный радиотехнический университет. Таганрог 5−7 июля 1999 г.

• IX международная конференция-выставка ИТО'99 «Информационные технологии в образовании». Министерство образования России. Институт Юнеско по информационным технологиям образования. Москва. МИФИ 912 ноября 1999 г.

• XII международные Плехановские чтения. РЭА им. Г. В. Плеханова. Москва 20−22 апреля 1999 г.

• XIII международные Плехановские чтения. РЭА им. Г. В. Плеханова. Москва 18−21 апреля 2000 г.

• X Международная конференция-выставка ИТО-2000 «Информационные технологии в образовании». Министерство образования России. Институт Юнеско по информационным технологиям образования. Москва, МИФИ 710 ноября 2000 г.

• 5-ая Международная конференция «Информационное общество Информационные технологии. Телекоммуникации» «НТИ-2000». Москва, ВИНИТИ, 22−24 ноября 2000 г.

• Четырнадцатые международные Плехановские чтения. 17−20 апреля 2001 г.

• Координационное общественное научно-методическое объединение-совет Минобразования РФ по специальностям информатика, прикладная информатика, информационные системы (по областям). КООИНФ: Годичная сессия КОСИНФО, Москва, 17 мая 2001 г. Минобразования РФ.

• XII Международной конференции «Информационные технологии в образовании» («ИТО-2002» Москва, 4−8 ноября 2002 г.

• 7-ая Международная конференция «Информационное общество Информационные технологии. Телекоммуникации» «НТИ-2002». Москва, ВИНИТИ, 14−16 октября 2002 г.

Публикации, отчеты, диссертационные работы аспирантов. По теме диссертации опубликовано три монографии, 76 научных работ, результаты исследования отражены также в научных отчетах, технических заданиях и технических проектах, разработанных в НИИ «Восход», а также в технических заданиях и отчетах по темам, но грантам Международного банка реконструкции и развития в РЭА им. Г. В. Плеханова. Данное исследование частично базируется на результатах кандидатских диссертаций аспирантов Карасева С. А., Житкова Г. Н., Терещенко С. С., Королевой Г. А., руководство которыми осуществлял автор данной диссертационной работы.

В данной работе излагаются разработанные автором и внедренные в ряде информационных систем общегосударственного уровня принципы синтеза элементов концептуальной структуры ИС на основе анализа предметной области и условий их функционирования, в том числе:

— автоматизация формирования концептуальной схемы базы данных системы,.

— автоматизация формирования структуры базы данных и базы знаний системы,.

— автоматизация управлением размещением данных с учетом динамики обращения.

В работе ставится и решается задача синтеза элементов структуры ИС, обеспечивающих требуемые характеристики оперативности и разрешающей силы ИС в целом.

В основу данной работы положены исследования и работы, проводившиеся автором в ВИНИТИ в области распознавания образов и кластерного анализа в 1965; 1973 гг., в области разработки Государственной автоматизированной системы научно-технической информации (подсистемы АСУ ГАСНТИ и сети автоматизированных центров научно-технической информации — САЦ НТИ) в 1974; 1985 гг., а также работы в НИИ «ВОСХОД» в области создания ряда автоматизированных информационных систем высших органов государственного управления в 1985 — 1998 гг. и, наконец, работы в РЭА им Г. В. Плеханова по разработке ряда систем управления экономическими процессами.

Выводы по четвертой главе.

1. Экспериментальная проверка комплекса средств адаптации элементов концептуальной структуры информационных систем принятия решений в области экономики, внедрение его в состав сданных в промышленную эксплуатацию информационных систем показали высокую эффективность комплекса, заключающуюся в сокращении времени поиска информации в 1,8 — 2,5 раза, сокращении' сроков разработки компонент информационного обеспечения в 2 раза.

2. Эксперименты по адаптации базы данных к изменению интенсивности потока запросов показали возможность увеличения оперативности обслуживания запросов при том же объеме пространства для хранения информации в 1,5 раза.

3. Внедрение и опытная эксплуатация в составе задач «Письма» и «Справки» системы «Маяк» адаптационных алгоритмов поиска с обратной связью по релевантности, в том числе с учетом зависимости терминов показала.

4.16) н к налогообложенияСа и Са — учетная стоимость активов на начало и конец возможность увеличения оперативности обработки запросов при одинаковых значениях параметров полноты и точности в 2.5 раза.

4. Реализация поисковых задач «Двусторонний договор», «Многосторонний договор» в составе информационной системы МИД РФ, задачи «Право» в составе ГАС Выборы с использованием методов кластеризации для построения тематического рубрикатора, автоматического формирования тезауруса, используемого в качестве графического навигатора, позволило ускорить внедрение систем в опытную эксплуатацию и обеспечить оперативную настройку к изменению состава информационного фонда по мере его роста.

5. Методы и комплекс программ синтеза логической структуры базы данных, испытанные на примере задач «Справки» и «Письма» ИС «Маяк» позволяют автоматически формировать и видоизменять основные элементы концептуальной структуры баз данных в процессе сбора информации по вновь возникшей проблемной ситуации, обеспечивая более высокую оперативность и динамику в сравнении методами CASE и RAD — технологий.

6. Экспериментальная проверка работоспособности модели естественноязыкового интерфейса показала правильность заложенных в ее основу принципов и ее эффективность, обеспечивая гибкость и удобство общения с системой для непрограммирующего пользователя — лица, принимающего решения.

7. Экспериментальная проверка комплекса алгоритмов и программ адаптации и выбора оптимального варианта решения на основе моделей Байеса, Парето, Шортлифа, Бьюкенена, Демпстера и Шейфера показала, что в совокупности они покрывают потребности оценки и выбора вариантов решений и их комбинаций во всех наиболее часто встречающихся проблемных ситуациях, то есть представляют собою функционально полный набор моделей и методов.

Заключение

.

Разработана с использованием современных моделей и методов кластеризации, интеллектуального анализа данных и теории принятия решений методология адаптации элементов концептуальной структуры информационных систем поддержки принятия решения в области экономики. Методология реализована и внедрена в виде комплекса средств адаптации, получившего практическое применение в форме специального программного обеспечения (СПО) в информационных, системах МИД РФ, «Маяк», ГАС «Выборы». Комплекс показал свою эффективность, обеспечив повышение производительности разработки компонент ИО и ЛО по оценкам, полученным в ходе испытаний, в 1,8 раза и увеличение скорости итерационного поиска на больших массивах (свыше 50 тыс. записей) в 2 раза. В результате проведенных исследований решены следующие задачи:

1. Выполнен системно-информационный анализ процесса принятия решений, в результате которого показано, что необходимым условием разрешения проблемной ситуации, то есть перевода объекта из данного в желаемое состояние является способность информационной системы различать эти состояния. Выявлены компоненты ИО и ЛО (тематический рубрикатор^ тезаурус, концептуальная схема базы днных, агрегаты, кластеры, база знаний), автоматизация разработки и последующая адаптация которых определяет способность ИС описывать состояние объектов и отношений динамично изменяющейся предметной области с требуемым для принятия решений уровнем детальности.

2. Разработаны и внедрены в ВИНИТИ математическая модель прогнозирования интенсивности потока запросов к распределенной базе данных ИС и метод адаптации (тьюнинга) БД к изменениям интенсивности потока запросов, позволяющие перераспределять единицы хранения по уровням оперативности доступа в зависимости от интенсивности спроса с целью минимизации времени доступа.

3. Разработаны и внедрены в ИС «Маяк» математическая модель, алгоритмы и программные средства автоматического формирования запросов к базе документальных данных на основе обратной связи, как средства повышения комфортности естественно-языкового интерфейса и адаптации ИС к изменениям информационной потребности пользователей.

4. Разработаны модели, алгоритмы и методы построения автоматического построения классификационной схемы полнотекстовой базы данных, получившие практическое применение для корректировки тематического рубрикатора задачи «Письма» ИС «Маяк» .

5. Разработаны математическая модель, алгоритмы и программные средства синтеза псевдотезауруса как основы динамически формируемой базы знаний, отслеживающей изменения предметной области, реализованные в виде СПО в задаче «Двусторонний договор» ИС ВПВ МИД РФ и задаче «Право» ГАС «Выборы» .

6. Разработаны модели и программные средства формирования и адаптации концептуальной схемы базы данных к проблемной ситуации и составу приложений. Модели и программные средства внедрены в виде комплекса лабораторных работ по дисциплине «Базы и банки данных и знаний» в МИРЭА.

7. Разработаны модели и программные средства многокритериальной оценки и выбора вариантов решений на основе фактов, хранящихся в базе данных и весовых оценок их значимости для гипотез. Внедрены в РЭА им. Г. В. Плеханова при выполнении работ по гранту Международного банка «Поиск, установление и обновление информационных банков данных для экономического образования (в рамках формирования межотраслевого образовательного комплекса)».