Исследование структурных моделей открытых динамических систем

Актуальность темы

В связи с увеличением масштабов и структурной сложности систем управления, процессы алгоритмизации обработки данных наталкиваются на значительные трудности [1,3,4,6]. В данной работе исследуется проблематика построения структурных моделей открытых динамических систем. К этому классу относят геофизические, биологические, социально-экономические и многие другие системы. Характерными свойствами информационных потоков таких систем является — слабоструктурированность и изменчивость, а также большие объемы информационных потоков и их неполнота. При этом количественные характеристики систем значительно превосходят ресурсы программно-аппаратного обеспечения вычислительной техники, используемой для моделирования. Совокупность такого рода особенностей и составляет сущность проблемы структурного моделирования открытых динамических систем.

Актуальность этой проблемы в значительной мере объясняется большими изменениями, которые произошли в компьютерном моделировании за последние несколько десятилетий. В процессе научно-технического прогресса материальная ресурсоемкость вычислительной техники для равномощных устройств уменьшилась на несколько порядков [2,30], что приводит к компенсирующему замещению материальных ресурсов информационными. Материальным ресурсом назовем количество составляющих элементов открытой динамической системы, а информационным ресурсом — множество ее состояний.

Под открытыми системами, понимаются системы, осуществляющие обмен с внешней средой. В рассматриваемом случае, обмен осуществляется информационными и частично материальным ресурсами. Понятие динамической системы связано с исследованием развития системы во времени [8].

При всем этом сам процесс разработки и внедрения методов моделирования открытых динамических систем весьма сложен и трудоемок. Поэтому для эффективного использования ограниченных научно-технических ресурсов представляется целесообразным оптимизировать этот процесс. Таким образом и возникает задача поиска и описания важнейших характеристик процесса моделирования открытых динамических систем, а также построения критериев для оценки эффективности этого процесса.

Цель и задача исследования состоят в разработке адекватной математической модели открытых динамических систем и исследовании структурных решений при ее реализации.

Методы исследования. Решение поставленной задачи осуществляется синтезом методов теории информации, общей теории систем, теории однородных вычислительных сред, лингвистики и теории нейронных сетей принципиально нового типа — нейросемантических структур [3,4,5,6,7,9,10,11]. При этом используется оригинальная процедура минимизации ресурсных затрат в информационных системах.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— введены определения крупномасштабных открытых динамических систем и текстовой энтропиипонятие меры информационного и материального ресурсов открытых динамических систем, а также понятие семантической единицы и образа.

— доказана теорема об усредненной монотонности текстовой энтропии в зависимости от размерности информационного пространства, а также теорема об изоморфности структуры формируемого в информационной системе отображения исходным структурам процессов в открытых динамических системах. — разработан алгоритм структуризации памяти информационной системы, приводящий к максимальному значению компрессии при условии, что совокупная длина семантических единиц существенно больше размера алфавита.

Теоретическое и практическое значение работы. В теоретическом плане исследован важнейший динамический параметр информационных систем — показатель компрессии отображения, характеризующий эффективность операции отображения открытых динамических систем, т. е. их качество. Доказано, что знания текстовых функций и показателя компрессии достаточно для построения процедуры автоматического формирования структурных систем, моделирующих крупномасштабные открытые динамические системы.

Практическое значение заключается в разработке инструментального комплекса на базе оригинальной однородной нейроподобной среды [30]. Проведенные на этом комплексе исследования показали возможность построения структурных моделей крупномасштабных открытых динамических систем.

По материалам работы в МФТИ читается спецкурс: «Нейроком-пьютинг — технические и социальные аспекты» по специальности 10 300. Опубликована монография в рамках издательского проекта, поддержанного РФФИ (№ 97−06−87 017).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Конференциях молодых ученых ИАТ (1980 — 1984 гг.), на Общемосковских семинарах по Искусственному интеллекту под рук. Д. А. Поспелова, на семинарах Московского общества испытателей природы под рук. Е. Д. Яхнина, на семинарах и Ученых советах Института (ИПУ РАН). Результаты работы так же докладывались на следующих Международных и.

Всесоюзных конференциях и совещаниях: на XXXII и XXXIII НТОРЭС им. А. С. Попова (Москва 1977 — 78 гг.), на Международном семинаре-совещании «Алгоритмы обработки информации в нейроподобных системах», (г. Н-Новгород 14−16 сентября 1993 г.), на Международной конференции: «Анализ систем на пороге XXI века: теория и практика», (Москва, 27−29 февраля 1996 г.), на VI Международном Форуме информатизации (МФИ-97, Москва, 19−26 ноября 1997 г.), на Международной конференции «Анализ систем на рубеже тысячелетий: теория и практика» (Москва, 15−17 декабря 1998 г.), на V Всероссийской конференции «Нейрокомпьютеры и их применение» (Москва 17−19 февраля 1999 г.), на Международной научной конференции им. В. И. Вернадского: «Интеллектуальный центр человечества и концепция банка знаний» (Москва,.

22−26 марта 1999 г.).

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, одна из них — монография.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные в диссертации исследования приводят к следующим выводам и результатам.

Автоматизация семантического анализа информационных потоков, которые в настоящее время буквально захлестнули возможности современных информационных систем, стала чрезвычайно актуальна. Переход экономик многих государств в разряд информационных экономик, в которых информационный ресурс является определяющим, также требует разработки новых средств по автоматизации обработки неструктурированных данных.

В диссертации сделан шаг в направлении создания инструментария, способного проводить семантическую структуризацию априорно неопределенных информационных потоков. В диссертации теоретически и экспериментально показана процедура выделения семантических единиц.

Отношением (10) выражена требуемая характеристика информационных систем, которые можно рассматривать в качестве инструментария для работы с открытыми динамическими системами. А к этому классу социально-экономических задач относятся практически все известные задачи.

В диссертации:

— введены определения: крупномасштабных открытых динамических систем, текстовой энтропии, гиперпериода, меры информационного и материального ресурсов, а также понятие информационного пространства, образа и семантической единицы;

— исследованы свойства текстовой энтропии;

— показано существенное преобладание информационного ресурса над материальным для любой динамической системы;

— доказаны теоремы об усредненной монотонности текстовой энтропии в зависимости от размерности информационного пространства и теорема об изоморфности структуры формируемого в информационной системе отображения исходным структурам процессов в открытых динамических системах- - разработан алгоритм иерархической структуризации памяти информационной системы, приводящий к максимальному значению показателя компрессии, при условии существенного преобладания совокупной длины семантических единиц над размером алфавита.