Software & Systems

Диалоговая система коллективного интерактивного пользования для анализа, расчета и исследования систем (КИПАРИС) предназначена для работы конечных пользователей в режиме диалога с программным обеспечением, имеющимся в базе знаний; для построения иерархической базы знаний совместными усилиями прикладных программистов и системных аналитиков (проблемных программистов).

Система реализована в ОС ЕС ЭВМ MVT6.1, функционирует на базовых моделях ЭВМ серии Ряд 1.

Описываемый вариант системы позволяет:

•   решать типовые задачи в режиме коллективного доступа к базе знаний системы; ф активно пополнять базу знаний системы, привлекая для этой цели прикладных программистов и системных аналитиков, при этом каждой категории пользовате лей предоставляются свои эффективные инструментальные средства;

•   использовать ряд сервисных функций, повышающих эффективность диалога (память ответов, возврат по сценарию диалога, подсказка, помощь и т. д.); сово купность таких функций объединена понятием «интеллектуальный терминал» си стемы.

Диалоговая система КИПАРИС может быть отнесена к классу интеллектуальных пакетов прикладных программ и, с другой стороны, к инструментальным средствам, обеспечивающим построение диалогового интерфейса между пользователем и ЭВМ. Данная система является одной из возможных реализаций принципов семантического программирования. Круг решаемых системой задач ограничен предметной областью, которая должна быть представлена в виде семантической сети функциональных фреймов.

Первоначально описываемый формирователь программ был ориентирован на решение ряда задач анализа и синтеза систем автоматического управления. Семантическая сеть является в этом случае отображением знаний системных аналитиков — специалистов в области теории управления, их умений, последовательности действий при решении конкретных задач.

Конечный пользователь, работая с семантической сетью фреймов в диалоговом режиме на ограниченном естественном языке, конкретизирует цель исследования, постановку задачи, математическую модель, метод и алгоритм решения. Продолжая диалог, конечный пользователь вводит необходимые исходные дан-

ныс, параметры численного метода, уравнения, описывающие исследуемый объект. В случае необходимости пользователь может вернуться по сценарию диалога, изменить нужные параметры, передать программу на исполнение, при этом автоматически формируется программа счета, в которую подставляются необходимые данные и выражения. После анализа полученных результатов пользователь имеет возможность продолжить исследование системы, изменив часть или все исходные данные, скорректировать математическую модель, выбрать другой метод решения в диалого-директивном режиме. Пользователь с помощью системной программы «Редактор» может вызвать исходный текст сформированной программы и внести необходимые исправления. В диалоговом режиме, кроме формирования расчетных программ, возможен вызов различных системных программ-трансляторов, редакторов, утилит и т. д.

Данный вариант системы имеет ограниченные возможности по планированию вычислений. Из множества имеющихся методов для решения поставленной задачи выбирается наилучший с точки зрения пользователя. Процесс вычислений полностью определяется исходной постановкой задачи. Вычисления выполняются по жесткой схеме счета с фиксированным набором управляющих связей между модулями.

Помимо задач теории управления, накоплен опыт эксплуатации системы в других предметных областях — при решении задач векторной оптимизации, расчете энергетических установок, в задачах принятия решений, а также при решении экономических задач. Практически любая прикладная программа или пакет прикладных программ может быть включен в базу знаний системы.

Исходя из круга решаемых задач и наличия инструментальных средств, диалоговая система КИПАРИС может быть отнесена к таким системам, как ДИС-УППП, СТАРТ, ПРИЗ, МАВР, МАРС и т. д.

Функциональная схема системы

Основу системы КИПАРИС составляет иерархическая база знаний, которая определила основные элементы функциональной схемы системы (рис. 1).

Верхний уровень иерархии представлен семантической сетью фреймов и отображает знания системных аналитиков. Наполнением этого уровня базы знаний являются постановки задач, методы и алгоритмы решения, способы оценки и анализа результатов и т. п., а инструментарием — функциональные фреймы, позволяющие в компактной форме отобразить знания и определить диалог с пользователем на естественном профессиональном языке предметной области.

Средний уровень иерархии представлен локальными предметными областями знаний — диалоговыми процедурами решения типовых задач предметной области. Инструментарием данного уровня является язык описания локальных предметных областей знаний (ЯОЛП), реализацией — модули локальных предметных областей знаний (модули ЛПО).

Нижний уровень иерархии — пакет прикладных программ системы, реализуемый по общепринятым требованиям ОС.

Для каждого уровня базы знаний предусмотрен свой обрабатывающий модуль: ФРЕИМ-процессор для верхнего уровня, ЛПО-процессор для среднего уровня. Выполнение программ и предъявление результатов счета осуществляются ЕХЕС-процессором и ПРЕД-ъявителем,

Работа конечного пользователя начинается диалогом с ФРЕЙМ-процессором. Пользователю предлагается последовательность вопросов и указаний (согласно семантической сети фреймов). По результатам обработки ответов формируется имя модуля локальной предметной области, вызываемого и обрабатываемого ЛПО-процессором. В модуле ЛПО в диалоге выбирается конкретный метод решения задачи, вводятся необходимые данные по методу, задаче, другая информация, необходимая для ее конкретизации. Выходом работы ЛПО-процессора является программа на алгоритмическом языке, которая передается ЕХЕС-процессо-ру. Параллельно ЕХЕС-гтроцессору запускается ПРЕД-ъявитель, настроенный на

файл результатов работы сформированной программы. Счетная программа имеет возможность управления режимами чтения, прекращения счета. Как показала практика работы в ОС ЕС, при такой реализации псевдоинтерактивного режима работы системы получаются приемлемые характеристики системы по времени реакции, затратам ресурсов для базовых моделей ЭВМ типа ЕС.

Предложенная организация базы знаний и схема функционирования системы обеспечивают достаточно простую модификацию и расширение базы знаний, не требуют дополнительных усилий по реализации прикладного программного обеспечения, специальных средств организации диалога с конечным пользователем. Все это дает определенные преимущества системе КИПАРИС по сравнению с такими системами, как ДИСГТАС, МАСИМЕ, требующими специальную организацию прикладного программного обеспечения.

Работа с предложенной структурой базы знаний реализована модулями системного программного обеспечения, взаимосвязь которых показана на рис. 2.

Системное обеспечение представляет собой линейную структуру управления процессами с администратором. Головной управляющий модуль MENEDGER (администратор системы) по результатам диалога с оператором ОС проверяет наличие рабочих наборов данных (организует их, если это необходимо), запускает модули КЩ — управляющие модули каждого активного дисплея. Запуск модулей осуществляется с помощью макрокоманд ATTACH, чем обеспечивается параллельная работа пользователей. В процессе работы системы предусмотрена связь оператора с модулем MENEDGER для выполнения таких функций, как принудительное завершение работ пользователей при зацикливании, динамическое изменение состава активных дисплеев, опрос состояния системы и др. Модуль MENEDGER находится в оперативной памяти постоянно, связь его с модулями KIB минимальная — передается только индекс пользователя (два любых символа, посредством которых осуществляется привязка экранов, наборов к пользователю).

Модуль К1В управляет работой пользователя в системе, обеспечивает работу со всеми уровнями базы знаний, поддерживает свойство интеллектуального терминала, выполняет сервисные функции;

JADRO — стартовый модуль (мини-MENEDGER), организующий управление работой пользователя;

FREJM — модуль работы с семантической сетью функциональных фреймов (ФРЕЙМ- про нессор);

ISPOLN — модуль, организующий выполнение составленной программы; CHITA — модуль предъявления результатов счета;

REDI — диалоговый редактор исходных текстов, настроенный на наборы системы;

KOPIQ — модуль выдачи твердой копии;

1TERM — модули, обеспечивающие элементы интеллекта при работе конечного пользователя с базой знаний.

В начальной версии системы предусматривался счет сформированных программ динамическим вызовом трансляторов и загрузчика (внутри памяти, отведенной под систему) и запуском процедур. Опыт эксплуатации показал преимущество второго способа. В системе предусмотрено сохранение результатов работы при перерывах как по инициативе пользователей, так и при сбоях ЭВМ. В случае, когда пользователь не подготовлен к работе с системой, модуль KIB обеспечивает работу модулей в следующей последовательности: JADRO — FREJM — модуль ЛПО — TSPOLN + CHITA — модуль ЛПО — ISPOLN... — JADRO. Подготовленный пользователь может начать работу сразу с модуля ЛПО.

Под интеллектуальным терминалом в системе КИПАРИС понимается программное обеспечение, поддерживающее следующие атрибуты дисплея как посредника между пользователем и системой:

•   безусловную (моторную) память ответов, их «забывание» и воспроизведение при повторном решении типовой задачи;

•   возврат в процессе диалога, пропуск части диалога;

•   сокращение объема диалога при решении типовых задач.

Кроме того, к интеллекту относится группа назначаемых (приобретаемых) свойств;

•   синтаксический контроль вводимой информации;

•   функция помощи;

•   форматизация экрана.

Предложенная и реализованная схема функционирования системы обеспечивает устойчивую автономную работу пользователей и разработчиков базы знаний. Для работы с прикладным программным обеспечением имеются модули ЛПО, обеспечивающие связь с диалоговой инструментальной системой JESSY, работу диалоговых систем КДО, ОКО.

Особенности построения базы знаний

Для представления знаний в виде семантической сети используются фреймы: классификационные, смысловые связки, директивные. Смысл, назначение и применение предложенных фреймов можно понять на простом примере решении систем дифференциальных уравнений. Рассмотрим фразу: «Для решения систем дифференциальных уравнений необходимо задать систему, выбрать метод, задать данные по методу, задать начальные условия». Здесь: «для решения систем дифференциальных уравнений» — связывающая часть фразы — ее аналог в семантической сети фрейм-"смысловая связка». Части фразы: «задать систему», «задать данные по методу», «задать"краевые условия» — конкретное указание данных — директивный фрейм. Часть фразы: «выбрать метод» — предполагается выбор одной из возможных альтернатив — классификационный фрейм.

На рис. 3 приведен фрагмент семантической сети. Работа с системой начинается с представления пользователю фрейма «смысловая связка» СО: СО<РАБОТА В СИСТЕМЕ> требует указания : : =

& 1 <ЦЕЛЬ РАБОТЫ>

& 2 <РЕЖИМ РАБОТЫ>

То есть вначале необходимо выбрать цель работы, которая описывается классификационным фреймом КО: КО <КЛАССИФИКАЦИЯ ЦЕЛИ РАБОТЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕ : : =

V I <РАСЧЕТ САУ>

V 2 <РАБОТА С БАЗОЙ ЗНАНИЙ>

V 3<ОБУЧЕНИЕ РАБОТЕ С СИСТЕМОЙ> V4<ПРОЧИЕЗАДАЧИ>,

а также режим работы, который описывается фреймом К42: К42 <РЕЖИМ РАБОТЫ> : : =

V 1 <ДИАЛОГОВЫЙ>

V 2 <ПАКЕТНЫЙ>

После формирования задания в пакетном режиме его выполнение откладывается. Сформированная программа записывается в специальный набор, счет осуществляется к удобное для ВЦ время.

Собственно расчет системы управления начинается с фрейма К!: KI <КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЧ РАСЧЕТА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ> : : =

VI <АНАЛИЗСАУ>

V2 (СИНТЕЗ САУ;

V3 <ИДЕНТИФИКАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК САУ> - V4 (ОЦЕНКА КООРДИНАТ САУ>

V5 (МОДЕЛИРОВАНИЕ САУ1

Если целью работы является анализ САУ (KI ::=!), то фрейм С2 определяет, какие действия нужно выполнить: С2 <АНАЛИЗ САУ> требует указания :: =

61   <КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЧ АНАЛИЗА;

62 (КЛАССИФИКАЦИЯ САУ ПО ВИДУ МАТ. МОДЕЛИ)

63   < КЛАССИФИКАЦИЯ САУ ПО ФОРМЕ МАТ. ОПИСАНИЯ> где задачи анализа представлены фреймом К2:

К2 (КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЧ АНАЛИЗА) :: = VI ВЫЧИСЛЕНИЕ СВОБОДНОГО ДВИЖЕНИЯ)

V2 (ВЫЧИСЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА) V3 (ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ; V4 (ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОСТИ) V5 (ИССЛЕДОВАНИЕ НАБЛЮДАЕМОСТИ) V6 <ИССЛЕДОВАНИЕ ИДЕНТИФИЦИРУЕМОСТИ) V7 (ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ^ V8 (ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК)

Фрейм KS3 (КЛАССИФИКАЦИЯ САУ ПО ВИДУ МАТ. МОДЕЛИ) состоит из двух уровней, определяющих принятое деление САУ: КЗА::= VI (ЛИНЕЙНАЯ) V2 (НЕЛИНЕЙНАЯ) КЗВ ::= VI (НЕПРЕРЫВНАЯ) V2'ДИСКРЕТНАЯ) КЗС ::= VI (СТАЦИОНАРНАЯ) V2 (НЕСТАЦИОНАРНАЯ) КЗД ::= VI (ОДНОМЕРНАЯ) V2 (МНОГОМЕРНАЯ) КЗЕ ::= VI (ДЕТЕРМИНИРОВАННАЯ) V2 (СТОХАСТИЧЕСКАЯ)

Форма математического описания систем управления представлена фреймом К.4: К4 (ФОРМА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ САУ) :: = VI (СИСТЕМА ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФ. УРАВНЕНИЙ) V2 (ОБЫКНОВЕННОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ) V3 (ИНТЕГРАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ) V4 (ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ) V5 «.СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ) V6 (КОНЕЧНО-РАЗНОСТНЫЕ УРАВНЕНИЯ) V7 (ДИФФ- УРАВНЕНИЯ В ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ)

В ряде случаев требуется преобразование форм математического описания САУ — фрейм KQ4, Фрейм КО5 описывает известные методы анализа устойчивости, пригодные для конкретных математических моделей САУ. КО5 (КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОСТИ САУ> :: =

VI (КРИТЕРИЙ ЗУБОВА)

V2 (КРИТЕРИЙ МИХАЙЛОВА)

V3 (КРИТЕРИЙ ПОПОВА)

V4 (КРУГОВОЙ КРИТЕРИЙ)

V5 (КРИТЕРИЙ ВОРОНОВА)

V6 (КРИТЕРИЙ 40 И НАРЕНДРЫ)

Разрешение этого фрейма обусловлено предыдущим ответом. Если система линейная, стационарная, непрерывная, детерминированная и описывается системой обыкновенных

дифференциальных уравнений (КЗА=1, КЗВ=1, КЗС=1,КЗЕ=1, К4=1), то будут предложены приемлемые методы. В данном случае —- критерий Зубова.

Функциональные фреймы представлены формализованными записями библиотечного набора данных, каждому разделу которого соответствует фрейм.

Классификационный фрейм представляется следующей записью: К /ИМЯ/ /НАИМЕНОВАНИЕ/        /№

1 — /АЛЬТЕРНАТИВА/ 2 — /АЛЬТЕРНАТИВА/

#

/УСЛОВИЯ/ КОД='КОД/

P. S.: /ИНФОРМАЦИОННАЯ СПРАВКА/ Где:

/ИМЯ/ —■ l-s-7 символов, в сочетании с К образуют имя раздела ( = имя фрейма]; /НАИМЕНОВАНИИ — фраза, раскрывающая употребляемую классификацию, /N/ — число, ранное количеству возможных альтернатив; /УСЛОВИЯ/ — запись условий выборки следующих фреймов; /КОД/ — условии разметки пути; /ИНФОРМАЦИОННАЯ СПРАВКА/ — справочная информация по фрейму, условиям его применения.

Фрейм-смысловая связка представляется следующей записью. С /ИМЯ/ (ТЕКСТ/ /УСЛОВИЯ/

P. S. /ИНФОРМАЦИОННАЯ СПРАВКА/ Где:

/ИМЯ'— 1-^7 символов, в сочетании с <.С» образуют имя раздела ( = имя фрейма); ТЕКСТ/, /УСЛОВИЯ/, /ИНФОРМАЦИОННАЯСПРАВКА/ — имеют смысл, аналогичный предыдущему фрейму.

Предложенный способ представления знаний позволяет описывать различные предметные области.

Язык описания локальных предметных областей знании

Для формирования модулей ЛПО разработан язык описания локальных предметных областей знаний (ЯОЛП), состав операторов которого получен на основе анализа общения системных аналитиков с прикладными программистами. Оказалось, что для автоматического формирования программ в простейших случаях необходим запрос информации и рассылка ответов в назначенные места, замена, удаление, добавление строк в тексте программы. В ряде случаев требуются дополнительные средства — генерация строк текста, символьная арифметика и некоторые другие функции.

В состав ЯОЛП включены 15 операторов для организации диалога с пользователем и формирования программ. Операторы языка представлены макрокомандами ассемблера ЕС ЭВМ. что позволяет легко расширять их состав, включать фрагменты текста на языке ассемблера, выполняя эффективно практически любую логику.

Состав, назначение и формат операторов ЯОЛП следующий.

Оператор ZAPKD — организация диалога, контроль и рассылка ответов, выдача информационных сообщений. Этот оператор имеет следующий формат:

[имя] ZAPKD А=, В=, С=, ОРТ=

Здесь: А — может принимать значения «'текст'» или «адрес»! задает текст вопроса, выводимого на экран терминала, в первом случае вопрос задастся непосредственно в операторе, во втором — ссылка на символьную строку с текстом вопроса, сопровождается дополнительным параметром длины вопроса в виде: К=число. Параметр А—обязательный параметр оператора, остальные параметры могут быть опущены. В —■ параметр, описывающий ответ, может принимать значение «(адрес [.адрес, ,..]), М=число", что соответствует ссылкам на адреса и длине ответа. Отсутствие этого параметра или задание в виде «В=О» предполагает вывод информации, предусмотренной параметром «А», но ответ не ожидается, что позволяет выводить комментарии к происходящим событиям.

С — параметр дли формирования комментария к вопросу, может принимать значения: «О» — не требуется комментарий, и в формате параметра А, т. е. «С='текст'» или «С— адрес, Ь=число>>:

ОРТ — параметр, задающий режим работы оператора, может принимать значения: О — вопросно-ответный режим, 1 — таблица (режи\: редактирования), 2 — листинг (чтение большого объема информации).

В вопросно-ответном режиме предусмотрена возможность синтаксического контроля ответов, для чего используются дополнительные параметры, PUSTO — определяет, может ли «пустой» ввод быть ответом YES или NO;

CLC — параметр, определяющий переходы по ключевым словам, его формат:

{слово, адрес [, слово, адрес, ...]),

где: «слово, адрес» определяют ключевое слово и адрес перехода по этому слову; SYNT — с помощью этого оператора можно проводить синтаксический контроль ответов пользователя по различным признакам;

PARM — указание о выделении параметров диалога (параметр В должен начинаться с символа «#»), по умолчанию PARM=NO. Использование этого параметра избавляет программиста от отведения полей для ответа, упрощает формирование текста программы на алгоритмическом языке.

В режиме редактирования (ОРТ=2) предусмотрен один дополнительный параметр, назначение которого аналогично PARM-PARMT, формат которого

«(смещение, длина, имя [...])»,

где тройка «смещение, длина, имя» задают относительный адрес в таблице (от ее начала), длину и имя параметра диалога.

Оператор ZAPD — запись текста формируемой программы и данных в последовательный файл с соблюдением синтаксиса используемого алгоритмического языка.

Оператор

[имя]гАРО А=, К=, L=

имеет обязательные параметры в форме:

«А—адрес, К=число, Ь=число» или «DD=hmh, IF=hmh», которые задают адрес шаблона (параметр «А»), длину строки шаблона в оперативной памяти (параметр «L») и количество строк в шаблоне (параметр «К»). В случае указания DD и TF предполагается, что шаблон находится в библиотечном наборе данных (LRECL=80, BLKSTZE=800), описанном DD-картой с именем, указанным оператором DD. Необязательные параметры: PARM, TRAN, IMQ, PROD позволяют задать режим поиска и замены параметров диалога (PARM=YES), а также формат записей и правила формирования записей продолжения (TRAN=), который может принимать значения FORT, ASM, PL — указание соответствующего языка. Параметр IMQ задает имя файла, к имени файла автоматически приписывается индекс пользователя (каждому пользователю отводится четыре стандартных набора для программ, данных, результатов). Параметр PROD позволяет указать на необходимость продолжения формирования записей, начатых в другом модуле (PROD=YES), по умолчанию принято «NO».

Оператор CZAPF— циклический запрос и запись значений (с контролем) одномерных массивов, имеет следующий формат:

[имя]СгАРР F=,A=,C= где: F — имя идентификатора массива в формируемой программе;

А — адрес поля в два байта с символьным значением размерности массива;

С — параметр, задающий комментарий на время работы оператора, формат аналогичен оператору ZAPKD.

Кроме этого, могут использоваться параметры контроля вводимой информации PUSTO, SYNT — полная аналогия оператора ZAPKD.

Оператор ZAPM — поэлементный запрос данных в форме оператора DATA языка ФОРТРАН, имеет следующий формат:

[hmh]ZAPMF=,C= где: F — идентификатор формируемого массива;

С — комментарий, формат которого аналогичен соответствующему параметру в ZAPKD.

Операторы APZAP, SPZAP, MPZAP, DPZAP и NRZAP — целочисленная символьная арифметика для выполнения соответственно операций сложения, вычитания, умножения, деления и возведения в степень над числами длиной не более десяти символов. Операторы имеют одинаковый формат:

[имя] КОД А=, В=,С=, LA-, LC=

В зависимости от кода выполняются действия по формулам: С=А + В; С^А — В, С= А • В,С=А/В;С=А ** В. Параметры LA, LB, LC задают длину элементов. Можно указывать один и тот же адрес для всех элементов формул.

NACH, KONN — специальные операторы ЯОЛП для назначения логического начала и конца программы.

Порядок и примеры работы с базой знаний системы

Предложенная организация базы знаний обеспечивает параллельность работ по модификации, пополнению всех элементов структуры. Системный аналитик на основе анализа предметной области составляет фрагмент фреймовой сети, который вносится в соответствующий элемент структуры — библиотеку фреймов. На рис. 4 приведены практические

примеры функциональных фреймов из фрагмента сети, представленного на рис. 3. Для работ с фреймами используется один из редакторов —- КДО, ОКО, JESSY. Прикладное программное обеспечение разрабатывается с соблюдением основных требований ОС.

Модуль ЛПО формируется совместными усилиями системных аналитиков и прикладных программистов на основе разработанного сценария диалога для ввода исходных данных, уточнения постановки задачи и т. д. На рис. 5 приведен модуль ЛПО моделирования движения летательного аппарата. Работа модуля начинается оператором NACH, который предлагает ряд стандартных альтернатив. К ним относятся: начало работы с модулем, назначение режимов работы с интеллектуальным терминалом, получение копии результатов и т. д. Собственно диалог по существу задачи начинается с оператора ZAPKD, выводящего на экран таблицу стандартных значений параметра ЛА. В записи оператора определены параметры диалога. Далее следует оператор ассемблера для передачи управления на второй оператор ZAPKD с целью запроса.начальных условий метода. Оператор ZAPKD с меткой М2 выдает комментарий на время формирования программы. Модуль ЛПО заканчивается оператором формирования программы ZAPD и оператором логического конца KONN.

Приведенный пример модуля ЛПО демонстрирует использование операторов языка ЯОЛП и команд ассемблера ЕС ЭВМ. В простейших случаях ассемблеру отводится только определение констант, т. е. его использование при организации диалоговых процедур минимально.