Система "Miracle" как универсальный программный инструментарий для создания интеллектуальных приложений. Архитектура комплекса инструментальных программных средств для создания динамических интеллектуальных систем. Реализация на суперкомпьютере.
Аннотация к работе
В исследовательском центре искусственного интеллекта института программных систем РАН был разработан комплекс инструментальных средств «Miracle», предназначенный для создания интеллектуальных динамических систем, т.е. систем, основанных на знаниях, с возможностью учета темпорального аспекта предметных областей. Система «Miracle» - универсальный программный инструментарий для создания интеллектуальных приложений основанных на знаниях [1]. Таким образом, система «Miracle» предоставляет возможность построения сложноструктурированных моделей большой степени сложности с возможностью задания собственной модели поведения для каждого отдельного компонента модели. Также задается множество возможных управляющих воздействий для системы и ее отдельных компонентов, а также условия их применения в виде правил управления. База знаний состоит из двух частей: уровень прототипов (описание классов объектов), который обычно и называют “знаниями” (статическая информация) и уровень экземпляров (множество объектов с их состояниями), который хранит динамическую информацию, характеризующую конкретные ситуации, возникающие в модели предметной области в ходе работы системы.Работоспособность программного комплекса «Miracle», а также эффективность применяемых в нем подходов и методов подтверждается рядом реализованных с их использованием модельных задач, в том числе: задача управления этапом предстартовой подготовки ракетно-космического комплекса (управление процессом заполнения бака жидким азотом), модельный пример задачи управления процессом стыковки активного космического аппарата с орбитальной станцией, а также ряд других задач.
Введение
В исследовательском центре искусственного интеллекта института программных систем РАН был разработан комплекс инструментальных средств «Miracle», предназначенный для создания интеллектуальных динамических систем, т.е. систем, основанных на знаниях, с возможностью учета темпорального аспекта предметных областей. Подобные системы используются для решения задач, требующих создания динамических моделей и построения планов управления ими. Возможными областями применения динамических интеллектуальных систем, созданных с использованием комплекса являются: задачи управления сложными движениями летательных аппаратов, задачи мониторинга, диагностики и прогнозирования состояния сложных технических систем, использование в качестве компоненты робототехнических систем, использование в системах контроля загруженности путей, системах контроля за химическими процессами, а также системах управления энергетическими комплексами.
1.
Архитектура системы
Система «Miracle» - универсальный программный инструментарий для создания интеллектуальных приложений основанных на знаниях [1]. В основу модели представления знаний положены идеи объектно-ориентированного моделирования, такие как классы объектов, наследование свойств, и др. Работа системы основана на применении правил-продукций, ассоциированных с каждым типом объектов (принцип инкапсуляции в объектно-ориентированной парадигме). Предметная область описывается множествами объектов различного типа. Каждый тип объекта соответствует некоторому понятию предметной области. Помимо описания набора статических свойств объекта также задается множество правил, описывающих изменение этих свойств во времени, т.е. - динамику поведения объекта. Такой подход позволяет осуществлять построение моделей как по принципу «от общего - к частному», когда сначала строится общая модель системы, а потом детализируются модели входящих в нее компонент, так и «от частного - к общему», когда сначала разрабатываются модели элементарных компонентов, а потом из них строится общая модель. Таким образом, система «Miracle» предоставляет возможность построения сложноструктурированных моделей большой степени сложности с возможностью задания собственной модели поведения для каждого отдельного компонента модели.
Общая архитектура системы «Miracle» отражена на рисунке.
Рис. 1 Общая архитектура системы.
Моделирование, то есть применение правил, ведется в дискретном времени с заданным шагом. Сохраняется полная “трасса” последовательных изменений состояний объектов (хранение истории модели).
Помимо задачи динамического моделирования система «Miracle» позволяет реализовать задачи управления моделируемыми объектами. Для этого на модели предметной области описываются, так называемые «целевые состояния» или «цели», т.е. - состояния в которые может (или должна) прийти система в процессе управления. Целевые состояния описываются набором условий на свойствах модели и ее отдельных компонентов, задаваемых, как при помощи точных математических моделей, так и при помощи эмпирических экспертных знаний. Среди целевых состояний выделяются «положительные» или «штатные», которые необходимо или желательно достичь в процессе управления и «отрицательные» или «нештатные», которых необходимо избегать. Также задается множество возможных управляющих воздействий для системы и ее отдельных компонентов, а также условия их применения в виде правил управления.
Вычислительное ядро системы состоит из интерпретатора простого процедурного языка программирования, интерпретатора системы продукций и планировщика. База знаний состоит из двух частей: уровень прототипов (описание классов объектов), который обычно и называют “знаниями” (статическая информация) и уровень экземпляров (множество объектов с их состояниями), который хранит динамическую информацию, характеризующую конкретные ситуации, возникающие в модели предметной области в ходе работы системы.
В системе выделены четыре класса правил. Правила замыкания, целеуказания, управления и перехода [2,3]. Правила имеют классическую структуру “если-то” и могут работать с атрибутами того объекта, в котором определены, либо с атрибутами объектов входящих в состав данного (т.н. отношение агрегирования). На каждом шаге работы системы применение правил происходит упорядоченно в соответствии с их принадлежностью к одному из классов (замыкания, целеуказания, управления, перехода в порядке перечисления). Отдельной фазой, на которой осуществляется целенаправленная коррекция поведения модели, обрабатываются правила управления. программный miracle приложение
2. Задача планирования
Для обеспечения эффективного управления моделью (или моделируемым объектом) на каждом шаге работы системы производится планирование, с учетом текущего состояния системы. Цель планирования в системе - это нахождение оптимального плана достижения целевого состояния, а в частности - нахождения необходимого подмножества применимых правил управления на очередном шаге. Для управления множеством генерируемых вариантов используется механизм ограничений на совместное применение правил управления. Таким образом, определяется множество возможных управляющих воздействий, то есть вариантов управлений. Алгоритм планирования сводится к алгоритму поиска оптимального состояния в дереве возможных состояний предметной области, получающихся в результате применения различных управляющих воздействий.
3.
Реализация на суперкомпьютере
В процессе реализации системы «Miracle» остро встала проблема недостатка вычислительных мощностей для реализации задач моделирования и управления сложными техническими объектами, которые порождают большие по объему и сложности модели. В связи с этим была разработана параллельная версия системы. В качестве платформы была выбрана кластерная архитектура, а в качестве средства разработки - Т-система [4], разработанная в исследовательском центре мультипроцессорных систем ИПС РАН в сотрудничестве с другими организациями, и предназначенная для автоматического динамического распараллеливания программ, написанных на традиционных языках программирования (новая версия Т-системы, получившая название OPENTS - Т-система с открытой архитектурой, была создана в период 2003-2005 гг в рамках проекта «СКИФ» [5]).
Основной упор был сделан на параллельную реализацию механизма планирования, как наиболее ресурсоемкого компонента системы. Распараллеливание вычислений осуществлено на этапе, когда планировщик строит дерево всевозможных продолжений развития ситуации, возникающих после применения различных множеств правил управления, соответствующих возможному варианту управления. Параллельный алгоритм планирования, реализованный посредством средств T-системы для параллельного поиска, использует для построения и анализа дерева состояний рекурсию.
Вывод
Работоспособность программного комплекса «Miracle», а также эффективность применяемых в нем подходов и методов подтверждается рядом реализованных с их использованием модельных задач, в том числе: задача управления этапом предстартовой подготовки ракетно-космического комплекса (управление процессом заполнения бака жидким азотом), модельный пример задачи управления процессом стыковки активного космического аппарата с орбитальной станцией, а также ряд других задач.
Таким образом, комплекс инструментальных средств «Miracle»,разработанный в ИЦИИ ИПС РАН, является мощным и эффективным средством для создания динамических интеллектуальных систем, предназначенных для моделирования и управления целенаправленным поведением искусственных систем, динамика которых описывается экспертными и эмпирическими знаниями.
Список литературы
1. Тарханов Т.С. Архитектура и ядро комплекса инструментальных программных средств для создания динамических интеллектуальных систем // Программные продукты и системы. - 2003. - №1. - с.9-13
2. Виноградов А.Н., Жилякова Л.Ю., Осипов Г.С. Динамические интеллектуальные системы. I. Представление знаний и основные алгоритмы // Известия Академии Наук. Теория и системы управления, М: Наука, 2002, N6, стр 119-127.
3. Виноградов А.Н., Жилякова Л.Ю., Осипов Г.С. Динамические интеллектуальные системы. II. Моделирование целенаправленного поведения // Известия Академии Наук. Теория и системы управления, М: Наука, 2003, N1, стр 87-94.
4. Абрамов С.М., Адамович А.И., Инюхин А.В., Московский А.А., Роганов А.В., Шевчук Ю.А., Шевчук Е.В. (ИПС РАН, г. Переславль-Залесский). Т-система с открытой архитектурой. SSA 2004, сборник научных трудов ИПС РАН 2004г.