Software & Systems

Сценарный подход к прогнозированию применяется для описания возможного поведения систем, содержащих активных участников, которые, не имея информации о стратегиях противодействующих сторон, вынуждены их генерировать на основе доступных знаний. Под сценарием будем понимать последовательность взаимосвязанных событий, имеющую место при определенных условиях. Между событиями существуют причинно-следственные связи, которые можно представить в виде правил. Синтез сценария в разработанной нами системе осуществляется с использованием базы знаний (БЗ), содержащей описание элементов сценария и связей между ними. Время полагается дискретным, длительность события задается указанием его начала и конца. Количественные характеристики объектов, фактов и других элементов сценария вычисляются с помощью процедур, хранящихся в БЗ. Результатом синтеза является множество возможных сценариев, качество и достоверность которых зависят от набора исходной информации.

В качестве базовой модели представления знаний выбрана логика предикатов первого порядка. Синтез сценария сводится к построению порождающей грамматики на заданном множестве терминальных и нетерминальных символов. В системе присутствуют следующие основные элементы знаний.

• Объекты – сущности, для характеристики которых могут использоваться символьные и числовые атрибуты. Набор конкретных значений атрибутов задает состояние объекта. В процессе синтеза сценария значения атрибутов объектов могут изменяться с течением времени, а также вследствие наступления случайных событий и действий, совершенных действующими лицами. Некоторые состояния объектов могут вызывать наступление определенных событий, в том числе завершение сценария. Зависимости атрибутов объектов от времени моделируются специальными процедурами, задающими темпы изменения характеристик на основании известных законов или гипотез, а также на основе эмпирических зависимостей. Таким образом, любой объект описывается предикатом вида объект(1, <наименование>, <тип>, <список атрибутов>).

Для задания темпов используется следующая структура данных: темп(<имя ampuбyma>, <наименование объекта>, <наименование зависимости>, <список коэффициентов>).

Для моделирования темпов предусмотрен следующий набор функций:

® a0+a1t,

® a0+a1t +а2t2,

® a0+a1e a2t,

® a0+a1log(t+1),

® a0+a1tnsin (t+a2).

·     Субъекты, или действующие лица (ДЛ), предназначены для описания элементов сценария, способных к совершению активных действий. Субъекты, как и объекты, характеризуются набором атрибутов, описывающих состояние субъекта. Некоторые из них могут изменяться во времени в соответствии с заданными темпами. Тип субъекта показывает, может ли он являться объектом. Если да, то характеристики субъекта могут изменяться в результате действия факторов и других субъектов. Субъекты могут изменять свои характеристики, например <местоположение>. Данный атрибут может оказывать влияние на значение характеристик объектов и ограничивать набор действий субъектов. С помощью этого атрибута предпринята попытка ввести пространственную компоненту в представление знаний. Способность к действиям вызывает необходимость использования ряда специальных атрибутов для характеристики субъектов. Каждый субъект имеет определенный статус, характеризующий его способность действовать в данный момент времени. Значение этого атрибута выбирается из набора {активен; ожидает события; вышел из игры}. Активное ДЛ может в течение данного кванта времени выполнять доступные ему действия, выбирая их в соответствии с приоритетом или случайным образом. ДЛ может оказаться временно неспособным действовать, если ожидает наступления некоторого события, или выйти из игры навсегда. Для реализации этих случаев в список атрибутов ДЛ добавляются <ожидаемое событие>, <условие выхода>, <сообщение о выходе ДЛ>. Ожидаемое событие может быть связано с достижением определен- ного значения некоторого атрибута, в том числе времени.

·     События – основная информационная единица сценария, предназначенная для активизации действующих лиц (субъектов), запуска, запрещения и разрешения появления других событий, изменения значений характеристик объектов, а также для задания этих характеристик. Событие может иметь определенную длительность во времени и вызываться одним из следующих способов: а) другим событием (действием факторов или субъектов); б) достижением заданного состояния объекта или субъекта; в) при выполнении некоторого условия; г) случайным образом. Возможны также произвольные сочетания перечисленных способов. В таких случаях описываемое событие наступит в том случае, если значения всех условий будут истинными. Наступление события может быть запрещено другим событием. В этом случае, даже при истинности условий наступления данного события, оно не активизируется до тех пор, пока не завершится запрещающее событие или не наступит другое разрешающее его событие. Для определения порядка наступления событий служит атрибут <приоритет события> – целое число от 0 до 20. Первыми выполняются события с более высоким приоритетом (числом). Кроме того, события характеризуются следующим набором общих (системных) атрибутов: 1) постоянство события – двоичный флаг, разрешающий событию участвовать в сценарии после своего первого появления; 2) время реакции – целое число, задающее в условных единицах интервал времени, по истечении которого с момента активизации наступят последствия события (вызываемые события, изменение характеристик объектов, запрещаемые/разрешаемые события и т.д.); 3) группа взаимоисключения – целочисленный атрибут, исключающий одновременное наступление двух или более событий, активизированных в один и тот же момент времени. При этом выбирается одно событие, имеющее наивысший приоритет. В системе синтеза сценариев элементарное событие определяется как действие субъекта, в результате которого могут измениться характеристики объектов (субъектов), либо как случайное (закономерное) изменение этих характеристик, либо как действие внешнего фактора, которое может приводить или не приводить к изменению заданных атрибутов. Элементарным называется событие или его фрагмент, протекающий в течение единичного кванта времени. Совокупность элементарных событий в момент t называется состоянием. Последовательность состояний есть сценарий.

·     Факторы – разновидность неуправляемых событий, обусловленных внешней средой. Действия факторов могут приводить к изменению характеристик объектов и субъектов, а также к вызову, активизации и запрещению определенных событий и действий ДЛ. Фактор описывается предикатом следующего вида: фактор(<название события>, <тип события>, <имя фактора>, <длительность события>, <группа исключения>, <время реакции>, <список вызываемых событий>, <список активизируемых событий>, <список отключаемых событий>, <имя объекта>, <имя субъекта>, <имя атрибута>, <способ изменения значения атрибута>, <значение>).

·     Действия субъектов – это вид событий, инициируемых ДЛ. В отличие от факторов этот вид событий причинно обусловлен. Каждое действие связано с определенным субъектом. Действия ДЛ влияют на состояние объектов, могут вызывать, запрещать и разрешать события, могут иметь отсроченные последствия, но не могут отключаться событиями, поскольку решения о совершении действий принимаются ДЛ. На выбор действий может быть наложен запрет (маска) со стороны действующих факторов, местоположения субъектов и со стороны действий других ДЛ. Это сделано для своевременного реагирования на действия других ДЛ. Подмножество незапрещенных действий называются активным набором действий. Если активный набор пуст, субъект не может действовать. Если в активном наборе содержится несколько альтернатив, то действие выбирается в соответствии с приоритетом или случайным образом. Действия ДЛ описываются предикатом вида: действие(<название события>, <тип события>, <имя субъекта>, <длительность события>, <условие наступления>, <группа исключения>, <приоритет действия>, <степень случайности>, <время реакции>, <список вызываемых событий>, <список активизируемых событий>, <список отключаемых событий>, <имя объекта>, <имя субъекта>, <имя атрибута>, <способ изменения значения атрибута>, <значение>).

Механизм взаимодействия знаний, хранящихся в БЗ, определяется на основе причинно-следственных связей и математических зависимостей между элементами сценария, которые формулируются пользователем системы. Программно реализованный интерпретатор должен синтезировать различные последовательности событий на основе экспертных знаний, заложенных в БЗ. Синтаксис порождающего языка описывается следующей грамматикой, не содержащей расшифровок очевидных символов и детального описания вызываемых процедур. Состояние рассматриваемой системы в момент времени включает описание совокупности элементарных событий, сгенерированных для данного момента. Элементарным событием считается изменение состояния объекта или субъекта в соответствии с заданным темпом, действием фактора или ДЛ, а также действие фактора или субъекта, не приводящее к изменению состояния объектов или субъектов. Если действие фактора или ДЛ происходит мгновенно (время реакции равно нулю), то вызываемые или активизируемые события включаются в описание данного состояния. Если имеет место запаздывание, то порождаемые элементарные события включаются в постепенно формируемые описания последующих состояний. События, растянутые во времени, влияют на наборы возможных в данный момент действий. При переходе к каждому следующему кванту времени проверяются условия завершения протекающих событий по длительности и обновляются списки активизируемых, ожидаемых и запрещаемых событий.

В разработанной системе для синтеза сценариев предусмотрено три режима: исследовательский (ручной) режим, где разрешение конфликтных ситуаций осуществляется пользователем; автоматический режим, где синтезируется заданное множество сценариев с использованием случайных механизмов выбора действий; синтез по заданию, когда синтезируются сценарии, удовлетворяющие предварительно сформулированному набору условий.

Построение сценариев связано с большими затратами труда и времени на сбор и представление знаний. Обоснованность затрат зависит от того, как будут использоваться полученные результаты. Генерация сценариев актуальна при разработке многоагентных систем, компьютерных игр, прогнозирующих моделей и т.п. Весьма полезным, на наш взгляд, может оказаться применение сценариев в задачах стратегического планирования для синтеза желаемого будущего и генерации политик его достижения. Синтез сценариев в автоматическом режиме с использованием БЗ большого объема приводит к порождению огромного количества вариантов, многие из которых имеют незначительные отличия и не представляют интереса для последующего анализа. Поэтому актуальной является задача выделения множества ценных вариантов. Ее решение возможно только в том случае, если сформулированы принципы и критерии оценки сгенерированных сценариев. Рассмотрим способы, которые могут быть использованы для оценки сгенерированных сценариев.

Сценарий можно оценивать по достигнутому исходу или с учетом всего пройденного пути. В общем случае при реализации системы следует предоставить возможность различного подхода к оценке полученных сценариев.

Для оценки сценариев в систему необходимо добавить следующую информацию:

·     о целях (конечных и промежуточных), если таковые имеются (в качестве целей могут выступать события и состояния объектов);

·     о критериях, которые используются для оценки событий и состояний объектов;

·     о предпочтениях экспертов, производящих оценку сценариев по критериям;

·     о дополнительных условиях, сформулированных на основе информации о целостном сценарии (например, минимальное число шагов до заданной цели; наибольшее среднее значение заданной характеристики объекта; присутствие в сценарии множества заданных событий и т.п.).

В разработанной версии программного обеспечения предусмотрено вычисление аддитивных и мультипликативных обобщенных оценок целостного сценария на базе экспертных оценок желательных и нежелательных событий, а также оценок состояний объектов. Шкала оценок задается экспертом. В процессе синтеза сценариев в автоматическом режиме можно использовать фильтры для отсеивания вариантов, не удовлетворяющих заданным условиям.

Система синтеза сценариев используется для решения задач прогнозирования на ранних стадиях проектирования технических объектов [1], а также для поддержки процессов стратегического планирования в социально-экономической сфере [2].

Список литературы

1. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Разработка интеллектуальной системы для поддержки процедур изобретения новых объектов. // Тр. 7-й нац. конф. по искусств. интел. с междунар. участ.: КИИ'2000. - М.: Изд-во физ.-мат. лит., 2000.-Ч. 2. - С. 549-556.

2. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Анализ, синтез и планирование решений в экономике (Учебник для вузов). - М.: Финансы и статистика, 2000. - 368 с.