Программные продукты и системы

Технология веб-ориентированных экспертных систем (веб-ЭС) является одним из наиболее динамично развивающихся направлений в индустрии интеллектуальных систем, так как веб-ЭС эффективно применяются в тех областях человеческой деятельности, где существует необходимость оперативного доступа к экспертным знаниям для большого числа географически разнесенных пользователей. Веб-ЭС, наследуя фундаментальные принципы представления и вывода на знаниях от традиционных ЭС, обладают рядом новых преимуществ, таких как общедоступность, простота распространения и удобство сопровождения, эффективность и оперативность обновлений базы знаний (БЗ) системы и др., которые особенно важны для самого сложного класса ЭС – интегрированных ЭС (ИЭС), обладающих в отличие от традиционных ЭС масштабируемой архитектурой, позволяющей расширять функциональность системы с помощью дополнительных подсистем [1].

Среди актуальных и наиболее востребованных приложений веб-ИЭС важное место занимают обучающие веб-ИЭС, что связано с новыми возможностями индивидуализации процессов обучения как за счет использования различных дистанционных образовательных технологий, так и путем дальнейшей интеграции моделей, методов и технологий ЭС с обучающими системами в рамках единой архитектуры веб-ИЭС, объединяющей в себе взаимодействующие логико-лингвистические, математические, имитационные и некоторые другие виды моделей [2].

Задачно-ориентированная методология построения ИЭС, предложенная в середине 90-х годов [3], и поддерживающий ее инструментарий нового поколения – программный комплекс АТ-ТЕХНОЛОГИЯ [4] позволяют осуществлять разработку и сопровождение широкого класса ИЭС, в том числе обучающих ИЭС, обладающих развитыми интеллектуальными средствами обучения, мониторинга и тестирования обучаемых, что предполагает [2,5]:

· построение модели обучаемого (с учетом психологического портрета личности) и эталонной модели курса (в отдельных случаях развиваемой до модели учителя);

· построение адаптивной модели обучения, сущность которой заключается в динамической модификации стратегии обучения в соответствии с текущей моделью обучаемого и последующей генерации совокупности обучающих воздействий, наиболее эффективных на данном этапе обучения с учетом личностных характеристик и моделей компетенций;

· построение модели проблемной области и модели объяснения для оценки логики принятия решений, результатов вычислений, объяснения (при необходимости) неправильной альтернативы или этапа решения задачи;

· постоянный мониторинг деятельности обучаемых и генерация управляющих решений для соответствующей корректировки действий обучаемых.

Следует отметить, что все модели, методы, алгоритмы и процедуры, формирующие в совокупности конкретную методологию построения обучающих ИЭС в рамках задачно-ориентированной методологии построения широкого класса ИЭС, являются оригинальными [3-5], а поддерживающие инструментальные средства, встроенные в комплекс АТ-ТЕХНОЛОГИЯ, представляют собой АРМ преподавателей-предметников по инженерным и специальным дисциплинам, то есть тем дисциплинам, для которых целесообразно создавать обучающие ИЭС по типу тренажеров наставнического типа с целью сохранения уникальных неформализованных методик и опыта преподавания конкретных курсов или дисциплин.

Данная статья посвящена описанию принципов разработки веб-версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ, предназначенной для поддержки построения веб-ИЭС, а также анализу опыта ее применения для создания обучающих веб-ИЭС, использующихся в учебном процессе МИФИ для студентов кафедры кибернетики, изучающих курсы «Введение в интеллектуальные системы», «Экспертные системы» и «Интеллектуальные диалоговые системы».

Эволюция технологических подходов к поддержке разработки веб-ИЭС

Эволюцию подходов к реализации веб-версий базовых подсистем комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ следует рассматривать в контексте двух последовательных этапов. На первом этапе основной целью являлся эксперимент по организации Интернет-доступа к подсистемам комплекса без существенной переработки самих компонентов, тем более что реализация подсистем комплекса в виде COM-объектов существенно упрощала эту задачу. Анализ текущей версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ и обзор современных средств и подходов к созданию веб-ИЭС показал, что для реализации поддержки разработки веб-ИЭС необходимо внесение в состав комплекса ряда дополнительных подсистем, связанных с построением ядра веб-ИЭС.

Это обусловлено тем, что основные отличия между ИЭС и веб-ИЭС сосредоточены в области организации взаимодействия с пользователем, а также связаны со спецификой организации и функционирования программных компонентов веб-ИЭС на стороне сервера. При выбранном подходе к реализации веб-ИЭС типа «сервер-главный» в состав серверных компонентов ядра веб-ИЭС входят веб-версии подсистем ядра ИЭС, при этом на стороне клиента располагаются компоненты, обеспечивающие организацию взаимодействия с пользователем.

С точки зрения реализации серверной части компонентов поддержки разработки веб-ИЭС очевидно, что задача полного перепрограммирования базовых подсистем комплекса является чрезвычайно сложной и трудоемкой, поскольку компоненты, входящие в состав веб-ИЭС, разрабатываемых средствами комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ, помимо базовой функциональности, наследуемой от традиционных ИЭС, должны реализовывать целый ряд дополнительных требований типа: обеспечение возможности многопользовательской работы компонентов в режиме разделения времени, организация механизма пользовательских сессий для хранения состояния сеанса работы, поддержка базовых веб-технологий и внедрение в состав сложного программного комплекса дополнительной программной инфраструктуры, поддерживающей внесенные дополнения.

Таким образом, на первом этапе в фокусе внимания находились вопросы поддержки разработки веб-ИЭС, в результате чего была создана альфа-версия инструментария, поддерживающая построение веб-ИЭС средствами базовой версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ. Работа проводилась с учетом максимально возможного повторного использования программных средств комплекса, при этом были реализованы все базовые требования к инструментарию для поддержки разработки веб-ИЭС (без учета ряда ограничений на производительность создаваемых программных средств).

Следует также отметить, что выбранный подход подразумевал отказ от использования метода работы компонентов ядра веб-ИЭС в режиме разделения времени, причем каждый сеанс взаимодействия пользователя в веб-ИЭС сопровождался загрузкой отдельной копии программных компонентов данной ИЭС в память сервера, а все недостатки подхода определялись исключительно вопросом производительности веб-ИЭС, что казалось вполне разрешимым за счет повышения производительности аппаратной части сервера.

На первом этапе для реализации пользовательского интерфейса была использована тех- нология Macromedia Flash MX2004, выбранная из-за простоты и прозрачности в вопросе обеспечения долговременных сетевых соединений между клиентом и сервером, меньшим объемом скомпилированных модулей, а также более широкой распространенностью по сравнению с технологией JAVA. Другие возможные средства организации пользовательского интерфейса, такие как ActiveX или HTML были отвергнуты из-за ограниченной доступности или бедности выразительных свойств.

Необходимость в существенном усовершенствовании данного подхода к созданию веб-версий подсистем комплекса возникла на втором этапе исследований и разработок, когда проблемы повышения производительности и масштабируемости конечных веб-ИЭС привели к пересмот- ру функциональности подсистемы построения средств общения и сервисных подсистем комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ (рис. 1).

В частности, подсистема общения была модифицирована с целью обеспечения многопользовательского доступа к единому модулю диалогового компонента из-за сложности процесса интерпретации сценариев диалога и ряда технических особенностей существующих средств организации диалога. Сервисные подсистемы были переработаны с учетом необходимости обеспечения контроля загрузки сервера, управления сеансами пользователя и разграничением доступа. Кроме того, был переработан модуль тонкого клиента, который в настоящее время реализован с помощью технологии Adobe Flash 9 и для сложных задач по производительности не уступает приложениям .NET.

Общая характеристика веб-ориентированной версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ

Современная веб-версия комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ обеспечивает поддержку всех традиционных этапов разработки ИЭС, а также предоставляет специализированные средства, такие как организация веб-сеансов интервьюирования экспертов, создание веб-интерфейса, настройка веб-сервера, управление пользователями и развертывание финального прототипа веб-ИЭС (рис. 2).

Веб-версия комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ, как и разрабатываемые в ее среде веб-ИЭС, представляет собой клиент-серверное приложение, работающее в среде Интернет и поддерживающее многопользовательский режим работы. Клиентская часть системы – это набор HTML-страниц с внедренным в них модулем пользовательского интерфейса, реализованным с использованием технологии Adobe Flash. Данное приложение предоставляет средства работы с графическим пользовательским интерфейсом, аналогичным пользовательскому интерфейсу системы Windows, и, кроме организации сетевого соединения с серверной частью, не содержит элементов прикладной логики функционирования ИЭС. Серверная часть системы – это набор СОМ-объектов, представляющих собой адаптированные для веб-версии компоненты комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ и компоненты ИЭС, разработанные средствами комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ. Кроме того, в состав данных компонентов входят специализированные средства организации веб-интерфейса веб-ИЭС. Все процессы функционирования веб-версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ и веб-ИЭС сосредоточены на стороне сервера, то есть архитектура разработки веб-ИЭС – сервер-главный (тонкий клиент).

В целом следует отметить сохранение фундаментальных основ разработки ИЭС, реализованных в базовой версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ, что достигается за счет того, что вся прикладная логика функционирования как комплекса в целом, так и разработанных веб-ИЭС, сосредоточена на стороне сервера. Поэтому разработка веб-версий различных подсистем комплекса может быть осуществлена унифицированным образом с использованием созданного инструментария разработки веб-приложений.

Важной особенностью веб-версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ является возможность проведения интервьюирования экспертов в среде Интернет, частично реализуя процессы веб-извлечения знаний, что достигается за счет использования специализированного инструментария разработки веб-приложений. Другая особенность связана с реализацией веб-подхода к построению средств общения веб-ИЭС, в соответствии с чем решается задача конвертации текстовых описаний форм приложений из традиционных форматов Delphi (DFM) или Visual Basic (FRM) в формат языка внутреннего описания веб-ИЭС и веб-инструментария. Это обеспечивает следующие преимущества при работе с формами:

· единый набор средств представления элементов пользовательского интерфейса для подсистем веб-инструментария и веб-ИЭС;

· возможность интеграции форм приложений, созданных в популярных общедоступных редакторах форм, поставляемых в качестве компонентов, например, с такими продуктами, как Delphi, C++ Builder и Visual Basic в подсистемы комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ;

· возможность использования уже разработанных диалоговых форм (в формате DFM или FRM) в подсистемах комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ.

Кроме того, дополнительно реализован инструментарий для визуального проектирования веб-интерфейса с поддержкой конвертирования в формат внутреннего описания пользовательского интерфейса комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ, для чего разработан специализированный подход к построению средств визуального проектирования и конвертирования в различные форматы веб-форм прикладных ИЭС, использующий язык внутреннего описания элементов веб-интерфейса. В настоящее время создан программный прототип инструментария для визуального проектирования и конвертирования в различные форматы веб-форм (на примере форматов описания форм Delphi и Visual Basic), а в дальнейшем планируется его расширение за счет поддержки дополнительных элементов пользовательского интерфейса и других форматов описания форм.

Применение веб-инструментария для создания обучающих веб-ИЭС

Одним из первых практических применений веб-версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ явилась разработка обучающих веб-ИЭС на основе модификации нескольких базовых ИЭС, использующихся в учебном процессе кафедры кибернетики МИФИ. Базовая версия обучающей ИЭС представляет собой традиционное настольное приложение с ограниченной клиент-серверной функциональностью, поэтому ее практическое применение требует проведения значительного объема дополнительной работы от команды инженеров по знаниям и администраторов, связанной со сбором и обработкой результатов каждого текущего тестирования обучаемых (с целью построения моделей обучаемых), что, учитывая человеческий фактор, постоянно приводит к таким проблемам, как искажение и потеря данных и т.д. Кроме того, нареканиям подвергалась система безопасности и контроля доступа к протоколам тестирования, реализация которой осуществлялась исключительно административными методами.

Применение веб-версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ для создания нескольких обучающих веб-ИЭС позволило централизировать процессы сбора и обработки данных для всего контингента обучаемых и решить проблемы безопасности и контроля доступа. При использовании веб-ИЭС обучаемые не имеют доступа к приложению и его компонентам, а работают только с пользовательским интерфейсом приложения через веб-браузер. Реализация подхода сервер-главный (тонкий клиент) позволила сосредоточить всю логику приложения на едином сервере, а модификация, описанная выше, обеспечила контроль над загрузкой сервера.

В результате были устранены рутинные задачи сбора данных протоколов тестирования и существенно упрощена работа администраторов системы. Кроме того, использование технологии Adobe Flash 9 для реализации клиентского приложения обучающих веб-ИЭС открыло дополнительные возможности по ее расширению за счет не только широкого набора стандартных элементов управления, но также за счет централизированного и простого использования видео- и аудиоматериалов в ходе обучения.

В настоящее время базовая и веб-версия комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ входят в состав имитационно-моделирующего стенда (ИМС), предназначенного для обучения студентов и аспирантов МИФИ и других вузов новым методам и технологиям построения статических и динамических интеллектуальных систем. На базе ИМС в течение ряда лет проводятся учебные занятия по нескольким учебным курсам, выполняются курсовые и дипломные проекты, проводятся совместные исследования с рядом кафедр и подразделений МИФИ, организуются демонстрационные занятия, лекции, методические консультации и стажировки преподавателей и аспирантов других вузов.

С 2007 г. в состав ИМС входит обучающая веб-ИЭС по курсам «Введение в интеллектуальные системы», «Проектирование систем, основанных на знаниях» и «Интеллектуальные диалоговые системы» (кафедра кибернетики МИФИ). Проводятся архитектурные модификации обучающей ИЭС по курсу «Автоматизация экспериментальных физических установок» (совместно с кафедрой автоматики МИФИ) и обучающей ИЭС для диагностики заболеваний дыхательных путей у детей (совместно с поликлиникой №109 г. Москвы).

Подводя итог, отметим, что опыт использования веб-версии комплекса АТ-ТЕХНОЛОГИЯ для ряда практических задач, включая разработку обучающих веб-ИЭС для поддержки учебного процесса в МИФИ, подтвердил уместность и обоснованность применения веб-подхода для создания интеллектуальных систем, в частности ИЭС, что позволило решить целый ряд проблем с контролем безопасности и управлением доступа обучаемых к системе, внести существенные улучшения в методы хранения и в процесс обработки материалов, собранных в ходе учебного процесса, а также существенно упростить работу администратора системы.

Естественно, что применение веб-подхода к разработке обучающих веб-ИЭС открывает широкие возможности по организации и контролю процесса обучения, однако сложность конечного программного продукта существенно возрастает с учетом интегрированности и распределенности системы в целом. Поэтому выбор веб-технологии для реализации той или иной системы, основанной на знаниях, должен приниматься только после тщательного анализа конкретной задачи и проблемной области. Необходимо учитывать такие факторы, как требования к надежности и безопасности ЭС и ИЭС, а также обеспечивать контроль авторских прав экспертов на знания, формализованные в ходе разработки каждой конкретной системы.

Список литературы

1. Рыбина Г.В. Интегрированные экспертные системы: современное состояние, проблемы и тенденции // Изв. РАН. Теория и системы управления. - 2002. - №5. - С.111-126.

2. Рыбина Г.В., Сикан К.В. Инструментальные средства поддержки разработки веб-ориентированных обучающих интегрированных экспертных систем// Науч. сессия МИФИ-2008. Сб. науч. тр. В 15 т.: Интеллектуальные системы и технологии. - М.: МИФИ. - Т.3. - С.45-49.

3. Рыбина Г.В. Задачно-ориентированная методология автоматизированного построения интегрированных экспертных систем для статических проблемных областей. // Изв. РАН: Теория и системы управления. - 1997. - № 5. - С.129-137.

4. Рыбина Г.В. Автоматизированное рабочее место для построения интегрированных экспертных систем: комплекс АТ-ТЕХНОЛОГИЯ // Новости искусственного интеллекта. - 2005. - №3. - С. 69-87.

5. Рыбина Г.В. Автоматизированное построение баз знаний для интегрированных экспертных систем // Изв. РАН. Теория и системы управления. - 1998. - №5. - С.152-166.