Программные продукты и системы

Многолетний опыт исследования и разработок систем, основанных на знаниях, показал, что основные трудности в данной области связаны с получением, структурированием и формализацией знаний, то есть с вопросами инженерии знаний – направления в интеллектуальных системах, целью которого является проектирование баз знаний.

Прямое получение знаний инженером по знаниям осуществляется в процессе извлечения знаний, в котором выделяют три основных теоретических аспекта: психологический, лингвистический и гносеологический [1]. Извлечение знаний насчитывает более 20 коммуникативных и текстологических методов, при этом полученные знания – явные – будут иметь лишь поверхностный характер. Для выявления скрытых знаний применяются методы психосемантики, а именно: многомерное шкалирование, репертуарные решетки, факторный и кластерный анализы [2].

Таким образом, чтобы научиться извлекать знания, инженеру необходимо приобрести квалификацию психолога, лингвиста, философа, педагога-игротехника, не говоря уже об аспектах структурирования и формализации. Для структурирования знаний используются три подхода: структурный, объектный и объектно-структурный, включающие множество методов, символьных и визуальных, и инструментов структурирования, для формализации – пять формальных и неформальных моделей представления знаний, не считая гибридных.

Очевидно, нужны специальный метод, методика, соответствующее математическое и программное обеспечение, которые будут связывать получение, структурирование и формализацию знаний в единое целое и создавать готовую к использованию базу знаний.

На взгляд автора, это метод ситуационного анализа объекта управления и автоматического формирования модели предметной области [3]. В его основу положены следующие основные идеи:

·     постепенное формирование модели внешнего мира (предметной области – ПО) в мозге человека по мере приобретения им опыта;

·     семиотический подход к описанию сложных и больших систем управления;

·     метод ситуационного управления большими системами;

·     язык описания технических наук – язык rx-кодов и синтагматических цепей;

·     метод концептуального анализа и проектирования систем организационного управления.

Методика анализа конструктов решений

На основе метода ситуационного анализа объекта управления и автоматического формирования модели ПО была разработана методика системного анализа задач и построения концептуальной модели предметной области (КМПО), называемая методикой анализа конструктов решений [4].

В методике под конструктом понимается концептуальная схема, инвариантная по отношению к ряду предметных областей, при этом концептуальная схема представляется в виде понятийной структуры. Анализ конструктов решений и раскрытие содержания понятий, в них входящих, и является тем способом получения и структурирования знаний, который позволяет построить достаточно полную и в то же время не избыточную КМПО, необходимую для дальнейшей автоформализации специальными инструментальными программными средствами, поддерживающими реализацию методики.

Понятия в КМПО по своему типу делятся на 4 основные группы:

−    понятия-объекты, характеризующие объекты, явления и события ПО;

−    понятия-свойства, характеризующие различные признаки, особенности и свойства объектов, а также их возможные значения;

−    понятия-отношения, характеризующие разного рода взаимосвязи и взаимозависимости между объектами;

−    понятия-действия, характеризующие различные процессы, протекающие в ПО в разные моменты.

Конструкт решения (КР) описывается через действие и набор объектов: объект, над которым совершается действие, субъект, который его выполняет, и компоненты – другие объекты, которые в нем участвуют. Эти объекты определяются множеством свойств и отношений, из которых формируются условие и результат данного действия (рис. 1).

Как показывает опыт проектирования баз знаний в высшей школе, наибольшие затруднения у студентов вызывает построение КР, что соответствует этапу концептуализации. По мнению автора, основная задача будущего инженера по знаниям – умение концептуализировать предметную область. Обычно это умение приобретается неосознанно, в результате длительного практического опыта проектирования баз знаний или участия в научно-исследовательских работах, что доступно не всем студентам. Можно научить концептуализации, если делать это направленно, выделяя данный аспект при проектировании моделей ПО.

В данном случае под концептуализацией понимается построение конструктов решений разного типа в зависимости от уровня их конкретизации. Различные уровни конкретизации возможны, если для класса действия и классов объектов, входящих в некоторый КР, известны множества всех экземпляров:

§     на первом уровне конкретизации действие и все объекты КР заданы своими экземплярами (КР I типа), то есть КР представляется в виде готового конкретного решения;

§     на втором уровне конкретизации действие задано своим экземпляром, а все объекты – классами (КР II типа), то есть для перехода на первый уровень необходимо конкретизировать все объекты;

§     на третьем уровне конкретизации действие и субъект и/или объект действия заданы классами, а остальные объекты действия неизвестны (КР III типа), то есть для перехода на второй уровень необходимо конкретизировать действие и создать классы всех объектов действия.

Таким образом, обучение концептуализации заключается в умении будущего инженера по знаниям строить КР всех типов.

Концептуальные игры

На наш взгляд, наиболее подходящей формой обучения концептуализации являются игры, так как именно они как методы активного обучения, в отличие от традиционных, пассивных, быстрее и качественнее воздействуют на обучаемого. Такие игры нового типа, которые специально создаются и проводятся с целью обучения концептуализации, называются концептуальными играми (КИ). Тематика КИ может быть самая разная, начиная с обыденной и заканчивая специализированными предметными областями.

Покажем процесс обучения концептуализации на всем знакомой предметной области волшебных сказок.

Формальное изучение сказок началось в конце 20-х годов прошлого века, когда фольклорист В. Пропп [5] исследовал волшебную сказку (как обладающую совершенно особым строением) на предмет ее морфологии, то есть описания сказки по составным частям и отношению частей друг к другу и к целому. Работа эта опередила свое время и не привлекла в те годы никакого внимания. Идеи В. Проппа были развиты его последователями, начиная с конца 1950-х годов, и в 1980-х нашли применение в области создания программного обеспечения, обрабатывающего и порождающего осмысленные тексты. Эти работы основаны на формальном описании структуры сказки и представлении процесса ее сочинения как поиска и формирования вариантов.

Применение функциональной модели сказки возможно не только для ее сочинения, но и для обучения концептуализации вообще. Воспользуемся следующими утверждениями В. Проппа.

1.   Функции действующих лиц являются постоянными, устойчивыми элементами сказки независимо от того, кем и как они выполняются.

2.   Число функций, известных волшебной сказке, ограничено.

3.   Последовательность функций всегда одинакова.

На основании этих утверждений каждую функцию можно представить в виде КР I, II и III типов. КР III типа удовлетворяют всей предметной области волшебных сказок, II и I – конкретной сказке, которые получаются соответствующей последовательной интерпретацией КР III типа в зависимости от контекста сказки. Для получения КМПО конкретной сказки достаточно построить КР I типа для всех функций, встречающихся в данной сказке. Условием выполнения конструкта решения одной функции будет результат конструкта решения другой функции, ей предшествующей. Это имеет место для всех типов КР.

Процесс осуществления КИ следует рассматривать как проект, реализующийся в определенной временной последовательности по следующим этапам:

1)  игровое моделирование, результатом которого является построенная модель КИ, осуществляемая проектировщиком модели – игротехником;

2)  игровая имитация, или собственно КИ, результатом которой является реализация КИ (ее прохождение), осуществляемая обучаемым – игроком;

3)  игровая рефлексия, результатом которой является оценка прохождения КИ игроком, осуществляемая игротехником.

На этапе игрового моделирования игротехником строятся КР III типа, которые соответствуют текстовому описанию каждой функции любой волшебной сказки. Далее берется конкретная сказка и уже готовые КР III типа интерпретируются в КР II типа для данной сказки. Затем полученные КР II типа интерпретируются в КР I типа. Любая функция в конкретной сказке может либо присутствовать от одного до нескольких раз, либо отсутствовать вовсе, поэтому количество полученных КР II и I типов может быть больше, меньше или быть равным количеству КР III типа.

На этапе собственно КИ игрок последовательно имитирует интерпретацию каждой функции, встречающейся в конкретной сказке, в КР I, II и III типов.

Рассмотрим игровое обучение концептуализации на примере функции «Герой испытывается, выспрашивается, подвергается нападению и пр., чем подготовляется получение им волшебного средства или помощника» [5]. В качестве иллюстрации возьмем сказку «Гуси-лебеди», кратко напомнив ее содержание.

Запретив выходить дочке из дома, родители уходят на работу. Девочка нарушает запрет, и гуси-лебеди похищают ее брата. Выйдя из дома на его поиски, она встречает печку, яблоню и речку, которые предлагают ей съесть пирожок, яблоко и кисель соответственно. Девочка всем отказывает и встречает ежа, который указывает ей путь. Вернув брата, она возвращается домой, преследуемая гусями-лебедями. Спасаясь от погони, девочка съедает кисель, яблоко и пирожок, и речка, яблоня и печка прячут ее. Сказка кончается возвращением девочки домой.

Игротехник строит КР III типа функции «Герой испытывается», общий для всех сказок, содержащих эту функцию (рис. 2), в котором действие и объект действия заданы классами. (На рисунках 3 и 4 классы действий и объектов выделены серой заливкой.)

В сказке данная функция встречается 6 раз: дважды печка, яблоня и речка испытывают девочку; первый раз после того, как она покинула дом, второй – во время преследования гусями-лебедями. Девочка в первых трех случаях не выдерживает испытание в отличие от трех последующих, в которых получает вознаграждение, – печка, яблоня и речка прячут ее с братом. Каждый раз класс действия испытать конкретизируется в экземпляр предложить, при этом экземпляры субъекта действия и компонентов будут разными. В данной сказке их можно классифицировать следующим образом: Печка, Яблоня, Речка в субъект действия Помощник, а Пирожок, Яблоко, Кисель – в компонент действия Пища. Таким образом, получаем конструкт решения II типа (рис. 3), общий для всех шести случаев.

Для построения конструкта решения II типа именно первого испытания девочки печкой зададим экземплярами некоторые компоненты действия, оставив пустыми их и их свойства (рис. 4).

Задача обучаемого – однозначно установить все экземпляры классов объектов и заполнить пустые понятия, получив таким образом КР I типа – конкретное решение (рис. 5). Для определения именно этого конструкта решения игротехнику необходимо было добавить условие того, что девочка уже покинула дом (предшествующая функция «Герой покинуть дом»), но еще ни речка, ни яблоня ее не испытывали.

В результате этапа игрового моделирования игротехником были построены 31 КР III типа для всей предметной области «Волшебные сказки», 16 КР II типа и 29 КР I типа для сказки «Гуси-лебе­ди».

Обучение концептуализации было проведено не только на ПО «Волшебные сказки», но и на профессиональных ПО: «Порождение и разрешение инцидентов в корпоративной информационной системе» на примере интернет-кафе, интернет-магазина, произвольной локальной вычислительной сети; «Управление интеллектуальным домом» на примере возникновения инцидентов в службах водоснабжения, света, канализации, электричества, охранной системы, вентиляции и кондиционирования, телевидения, телефона и др.

Программная реализация КИ

Разработано программное обеспечение КИ в среде Adobe Flash CS3 Professional для всех этапов, а именно:

·     проектирование игротехником модели КИ с помощью библиотеки КР всех типов;

·     регистрация и прохождение конкретной КИ игроком с фиксацией времени и количества ошибок;

·     общая оценка прохождения игроком конкретной КИ и место в общем рейтинге;

·     определение готовности игрока переходить к построению реальной КМПО.

Было проведено сравнение показателей реальных КМПО, построенных в результате следующих форм обучения: традиционной неигровой, игровой на примере профессиональных ПО и игровой на примере ПО «Волшебная сказка». По учебному плану на построение КМПО выделяется 12 академических часов, но фактическое количество часов отличается от учебного плана: в первом случае студентам необходимо от 12 до 36, во втором – от 12 до 24, а в третьем – от 8 до 16.

Студентов, строящих КМПО за 12 академических часов и менее, то есть удовлетворяющих требованиям учебного плана, в процентах от общего количества студентов в первом случае только 10 %, в отличие от второго и третьего – 60 % и 80 % соответственно.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что по всем показателям лидирует игровое обучение, использующее в качестве ПО «Волшебные сказки».

Литература

1.   Гаврилова Т.А., Муромцев Д.И. Интеллектуальные технологии в менеджменте: инструменты и системы: учеб. пособ. 2-е изд. СПб: Изд-во «Высш. шк. менеджмента»; Издат. дом СПб. гос. ун-та, 2008. 488 с.

2.   Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Интеллектуальные информационные системы: учебник. М.: Финансы и статистика, 2006. 424 с.

3.   Болотова Л.С., Иноземцев С.П., Ященко Н.Ю. Модели и методы представления знаний в системах искусственного интеллекта. СПб: ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1991. 116 с.

4.   Болотова Л.С., Смольянинова В.А., Смирнов С.С. Теоретические основы концептуального проектирования модели предметной области в КИС // Теоретические вопросы вычислительной техники и программного обеспечения: межвуз. сб. науч. тр. М.: МИРЭА, 2006. С. 125–131.

5.   Пропп В.Я. Морфология волшебной сказки. М.: Изд-во «Лабиринт», 2007. 128 с.