Алгоритмическое обеспечение базы знаний автоматизированной системы управления освоением радиотехнических средств

Актуальность исследования. В настоящее время при подготовке специалистов для авиации и, в частности, для системы радиотехнического обеспечения (РТО) аэродромов существует проблема, суть которой состоит в том, что уровень освоения указанных систем личным составом зачастую не соответствует требуемому уровню, необходимому для эффективного применения радиотехнических средств (РТС) по назначению.

Попытки решить эту проблему путем организации дополнительного обучения личного состава как путем проведения специальных сборов (вне места постоянной дислокации подразделений РТО), так в месте постоянной дислокации в настоящее время оказались малоэффективными. Причиной тому является специфика функционирования системы РТО, связанная, в частности, с большой территориальной разобщенностью подразделений РТО, их малочисленностью и большой текучестью личного состава, а также отсутствием в подразделениях РТО технических средств, позволяющих личному составу самостоятельно, в автоматизированном режиме осваивать РТС.

В тоже время современный уровень развития информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) позволяет на основе формирования специальных баз знаний предметной области создавать автоматизированные системы освоения личным составом человеко-машинных систем, к которым относятся РТС.

Однако в результате недостаточного изучения реальных РТС, как человеко-машинных систем, существует серьезный пробел в знаниях об их поведении, состоящий в недостаточной изученности влияния человека на эффективность их применения по назначению. Анализ эффективности применения РТС по назначению позволяет сделать вывод о том, что указанная эффективность напрямую зависит от уровня их освоения личным составом. Данный факт ставит перед разработчиками систем автоматизированного освоения 6.

РТС задачу исследовать влияние личного состава на эффективность функционирования РТС, с целью формирования путей, позволяющих определить требуемый для эффективного применения РТС по назначению уровень их освоения личным составом, а также привести существующий уровень освоения РТС в соответствие с требуемым. Это, в свою очередь, требует развития теории и практики синтеза автоматизированных технологий освоения РТС, позволяющих реализовать процесс автоматизированного освоения, как отдельных подсистем, так и РТС в целом.

Решить задачу обеспечения требуемого уровня освоения личным составом РТС возможно, путем создания автоматизированной системы управления освоением РТС (АСУО РТС). Ее отличительной особенностью является наличие подсистемы, работающей со специальными знаниями предметной области и позволяющей вести освоение личным составом РТС с учетом его должностного предназначения, имеющегося уровня освоения РТС, а также индивидуальных особенностей по восприятию информации. Основу подсистем, работающих со специальными знаниями предметной области, составляет база знаний (БЗ). Для её формирования и использования необходима разработка соответствующего алгоритмического обеспечения БЗ для АСУО РТС на основе широкого использования ИКТ.

Вопросы использования информационных и коммуникационных технологий в целях совершенствования системы подготовки специалистов различного профиля, в том числе и технического, рассматривались в трудах многих ученых. Аспекты совершенствования автоматизированного обучения исследовали И. В. Роберт, В. И. Громыко, К. К. Колин, А. Я. Соловьев, Б. А. Сазонов, O.A. Козлов, Ю. Г. Татур, С. А. Христочевский, A.A. Безбогов, В. Е. Дидрих, В. В. Алексеев, В. А. Малышев и другие специалисты. Исследованиям разработки баз знаний посвящены труды таких ученых, как JI. Заде, А. Кофман, Э. В. Попов, Д. А. Поспелов, Н. Нильсон, А. Н. Борисов.

Однако непосредственно применить результаты перечисленных исследований для решения обозначенной проблемы затруднительно, в силу специфики процессов функционирования и освоения радиотехнических средств.

Анализ показывает, что основными методами освоения радиотехнических систем являются дополнительная специальная теоретическая и тренаж-ная подготовки. Симбиозом проанализированных методов является комплексная (теоретическая и практическая) подготовка, включающая как процесс усвоения знаний, так и процессы формирования умений и закрепления навыков. Практическое отсутствие при теоретической подготовке возможности объективно проверить уровень знаний, а при тренажной подготовкеимеющийся уровень умений и навыков личного состава по применению РТС по предназначению в автоматизированном режиме является главным недостатком такой подготовки.

Анализ технических средств обучения используемых в процессе освоения личным составом РТС, показал, что в этой среде отсутствуют автоматизированные системы управления освоением радиотехнических систем. Отсутствие указанных систем не позволяет оперативно и объективно, с учетом должностного предназначения, оценить текущий уровень освоения личным составом РТС и, при необходимости, привести указанный уровень к требуемому с учетом индивидуальных особенностей личного состава по восприятию информации. Это обусловлено, прежде всего, отсутствием специальной базы знаний, позволяющей автоматизировать процесс освоения РТС. В свою очередь формирование специальной базы знаний для автоматизированной системы управления освоением РТС невозможно из-за несовершенства существующего алгоритмического обеспечения.

Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что научное исследование, направленное на разработку алгоритмического обеспечения БЗ для АСУО РТС, используемой для автоматизации процесса освоения личным составом радиотехнических средств в соответствии с его должностным предназначением и учетом индивидуальных особенностей является актуальным.

На основании проведенного выше анализа определена проблемная ситуация, сущность которой состоит в противоречии между практической необходимостью организации в подразделениях РТО автоматизированного освоения личным составом радиотехнических средств в соответствии со своим должностным предназначением на базе АСУО РТС, отличающейся наличием подсистемы работы со знаниями предметной области и обеспечивающей учет индивидуальных особенностей личного состава, и отсутствием необходимого алгоритмического обеспечения, позволяющего реализовать функции специальной базы знаний АСУО РТС в процессе освоения личным составом радиотехнических средств в соответствии со своим должностным предназначением.

Исходя из сформулированной проблемной ситуации, решаемая в диссертационной работе научная задача может быть определена как разработка алгоритмического обеспечения функционирования специальной базы знаний автоматизированной системы управления освоением РТС, предназначенной для автоматизации процесса управления освоением личным составом радиотехнических средств в соответствии со своим должностным предназначением.

Объектом исследований является автоматизированная система управления освоением РТС, а предметом являются методики алгоритмизации специальной базы знаний в автоматизированной системе управления освоением РТС.

Целью диссертации является повышение эффективности управления процессом автоматизированного освоения РТС путем разработки алгоритмического обеспечения специальной базы знаний автоматизированной системы управления освоением РТС.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

— анализ влияния человека на эффективность применения человеко9 машинных систем, методов автоматизированного освоения РТС и реализующих их средств для выявления основных недостатков существующего в настоящее время процесса освоения РТС и определения путей их преодоления;

— разработка алгоритмов приобретения и пополнения знаний в специальной базе знаний АСУО РТС;

— разработка методики автоматизированного формирования учебно-тренировочных операций, обеспечивающей повышение дидактического потенциала специальной базы знаний АСУО РТС;

— формирование обобщенной структурной модели автоматизированной системы управления освоением радиотехнических систем, как основы для создания предметной АСУО РТС;

— оценка эффективности автоматизированного освоения личным составом радиотехнических систем с использованием разработанной АСУО РТС.

Методы исследований. В работе использовались методы общей теории систем, теорий искусственного интеллекта, управления, инженерной психологии, принятия решений, математической статистики, системного анализа.

Научная новизна результатов исследований заключается в разработке:

— алгоритма приобретения знаний в специальной базе знаний АСУО РТС, отличающегося применением стратегии разбиения на ступени, направленной на выявление структуры понятий предметной области с помощью сценария «Имя — Свойство»;

— алгоритма пополнения знаний в специальной базе знаний АСУО РТС, отличающегося наличием свойства адаптации к изменению внешней среды;

— методики автоматизированного формирования учебно-тренировочных операций, позволяющей формировать для каждого обучаемого индивидуальную совокупность учебно-тренировочных операций, позволяющих ему достичь требуемого уровня освоения РТС в соответствии со своим должностным предназначением, на основе содержащегося в специальной базе знаний учебного материала;

— обобщенной структурной модели автоматизированной системы управления освоением РТС, особенностью которой является наличие в ней специальной базы знаний, служащей для формирования модели управления процессом освоения РТС и выработки (выбора) воздействия на обучаемого с целью достижения им необходимого (заданного) уровня освоения указанной системы.

Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в том, что в ней разработаны алгоритмы приобретения и пополнения знаний в специальной базе знаний АСУО РТС, разработана методика автоматизированного формирования учебно-тренировочных операций, разработана обобщенная структурная модель автоматизированной системы управления освоением РТС, как основа для создания предметной АСУО РТС.

Практическая значимость диссертационной работы обусловлена тем, что полученные в ходе проведения исследований результаты:

1. Позволили автоматизировать процесс освоения РТС курсантами Тамбовского ВВАИУРЭ (ВИ) и студентами военной кафедры Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (государственного университета), при этом:

— разработанные автором алгоритмы позволили сформировать специальную базу знаний предметно-ориентированной АСУО РТС;

— предложенная автором методика автоматизированного формирования учебно-тренировочных операций, позволила значительно повысить качество освоения курсантами РТС,.

2. Нашли свое отражение в утвержденных учебных программах дисциплин кафедр Тамбовского ВВАИУРЭ (ВИ) и МГИРЭА.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректностью использования известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов, а также с результатами исследований других авторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования обсуждались на: XLVII научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва, 2004 г.) — VIII Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности методов и средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2006 г.), XLIX научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва, 2006 г.).

Внедрение результатов исследований. Исследования проводились в рамках НИР: тема № 30 654, шифр «Эксплуатация-06» (Методические рекомендации по повышению качества технической эксплуатации и ремою, а средств РТО полетов авиации), поданы 2 заявки на официальную регистрацию программ для ЭВМ.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы в учебном процессе Тамбовского высшего военного авиационного инженерного училища радиоэлектроники (военного института) и Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (государственном университете), что подтверждено актами об использовании результатов.

Положения, выносимые на защиту:

— алгоритм приобретения знаний в специальной базе знаний АСУО РТС, обеспечивающей первоначальное наполнение базы знаний специальными понятиями;

— алгоритм пополнения знаний в специальной базе знаний АСУО РТС, позволяющий автоматизировано или автоматически пополнять знания и уточнять имеющиеся в базе знаний понятия предметной области;

— методика автоматизированного формирования учебно-тренировочных операций, обеспечивающая генерирование данных операций в соответствии с индивидуальными особенностями обучаемых и должностным предназначением;

— обобщенная структурная модель АСУО РТС, являющаяся основой для разработки предметно-ориентированных систем автоматизированного управления освоением конкретных радиотехнических средств.

Диссертация состоит из списка сокращений, введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная значимость и практическая значимость работы, дана краткая аннотация диссертации по разделам.

В первом разделе проведен системный анализа принципов построения, функционирования и освоения человеко-машинных систем (ЧМС). Выявлено, что процесс построения ЧМС является самостоятельной сложной системой. При построении ЧМС основное внимание уделяется созданию описания исполнительной и управляющей подсистем, которые в большей степени определяют структуру и функционирование других подсистем ЧМС. Системное рассмотрение «жизненного цикла» ЧМС показало, что этап их освоения в наибольшей степени влияет на эффективность функционирования системы в целом. Анализ традиционных методов освоения ЧМС позволил выявить их основные недостатки и определить пути их преодоления, основой которых является создание автоматизированной системы управления образовательного назначения, основой которой является база. На основании результатов анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе проведена разработка алгоритмов приобретения и пополнения знаний в базе знаний АСУО РТС. Представлены правила решения задачи рационального представления знаний и обоснованности их выбора для решения конкретной задачи. Построение сети фреймов на основе неоднородных семантических сетей позволило в полной мере отобразить особенности предметной области, заключающиеся в наличии множественного характера отношений между понятиями. В базе знаний АСУО РТС возможны два варианта приобретения знаний: непосредственное извлечение знаний и.

13 прямое их приобретение с помощью стратегии разбиения на ступени и интерактивного интерпретатора знаний, позволяющего приобрести знания при недостаточном уровне квалификации эксперта. Выбор метода вывода позволил определить формальную систему БЗ на основе исчисления предикатов высшего порядка.

В третьем разделе разработана процедура структуризации правил логического вывода в базе знаний АСУО РТС, применение которой дает возможность организации пополнения знаний в БЗ без участия эксперта, обеспечивающая формирование совокупности математических моделей поэтапного выделения и упорядочения правил выбора для каждого решения. Разработана методика формирования учебно-тренировочных операций. Достоинством ее является то, что, во-первых, обучаемому сложнее найти верный ответ, перепробовав все комбинации специфицирующих его компонентов, а, во-вторых, при проведении контрольного опроса затрудняется «коллективный» подход к выбору ответа.

Технологическое решение данной проблемы способно обеспечить алгоритмическое обеспечение базы знаний АСУО РТС. Разработана обобщенная структурная модель АСУО РТС.

В четвертом разделе представлены результаты оценки эффективности предметно-ориентированной АСУО РТС, реализованной в учебном процессе Тамбовского высшего военного авиационного инженерного училища радиоэлектроники (военного института). Оценена эффективность применения АСУО РТС и даны методические рекомендации по разработке и применению предметно-ориентированных комплексов программных средств.

В заключении кратко изложены основные результаты диссертационных исследований в виде выводов.

Общий объем диссертации — 144 страницы, из них: список использованных источников на 10 страницах (102 наименования).

4.4 Выводы по разделу 4.

В результате разработки комплекса программных средств автоматизированного освоения радиолокационной системы посадки РСП-6М2 были получены следующие результаты:

1 На основе структурной модели АСУО РТС разработана структура КПС. Разработаны программы, реализующие составные части КПС, а также алгоритмы их функционирования и взаимодействия на основе одноранговой компьютерной сети.

2 Предложена структура экранов диалоговой среды составных программ комплекса, что создало основу для программной реализации интерфейса пользователя, организации активного взаимодействия с пользователем.

3 Разработкой КПС, построением интерактивной среды конечного пользователя, оценкой его эффективности подтверждена адекватность предложенных методологических подходов, теоретических основ, методов моделей и алгоритмов их реализации цели и существу исследования и правомерность их применения для достижения практических результатов.

4 Эффективность применения КПС подтверждена результатами учебного эксперимента, которые показали, что использование таких комплексов увеличивает успеваемость на 14−19%.

5 Эффект от внедрения разработанных программных средств получен за счет совершенствования методики управления процессом обучения, а также за счет экономии ресурса реальной техники. Соотношение экономической эффективности использования КПС, по сравнению с обучением на технике составляет десятки и сотни раз. При использовании КПС не расходуется эксплуатационный ресурс техники РТО, устраняется негативное воздействие на экологию.

Заключение

.

Основным результатом диссертационной работы является разработка алгоритмов функционирования базы знаний автоматизированной системы управления освоением радиотехнических средств, предназначенной для подготовки квалифицированных специалистов по эксплуатации радиотехнических средств. Выводы по диссертационной работе и полученные в ней научные результаты можно обобщить следующим образом:

1 Процесс построения ЧМС является самостоятельной сложной системой. При построении ЧМС основное внимание уделяется созданию описания исполнительной и управляющей подсистем, которые в большей степени определяют структуру и функционирование других подсистем ЧМС.

2 Системный анализ жизненного цикла ЧМС, методов их освоения и реализующих их средств выявил основные недостатки автоматизированного освоения РТС и позволил определить путь их преодоления, заключающийся в создании АСУО РТС, отличающихся наличием подсистем работы со знаниями, обеспечивающих учет индивидуальных особенностей специалиста.

3 Анализ методов автоматизированного обучения и извлечения знаний в интеллектуальных системах позволил выявить их основные недостатки, а также определить пути их преодоления.

4 Разработанные правила выбора модели представления знаний позволил определить, что для формализации БЗ АСУО РТС необходимо представлять знания преимущественно в виде сетей фреймов. Такое представление знаний является наиболее универсальным для решения поставленной задачи — построения АСУО РТС, учитывающей особенности предметной области.

5 В работе проведен синтез алгоритмов приобретения и пополнения знаний в базе знаний АСУО РТС, реализующих непосредственное извлечение знаний из БЗ и их приобретение с помощью стратегии разбиения на ступени и интерактивной интерпретации знаний.

6 Разработана процедура структуризации правил логического вывода в БЗ АСУО РТС, заключающийся в том, что знания типа утверждений и правил логического вывода следует рассматривать как структурированные отношения и правила принятия решений на множестве осваиваемых объектов РТС.

7 Сформулирован способ формирования учебно-тренировочных операций на основе алгоритмов управления БЗ АСУО РТС. Технологическое решение данной задачи позволяет сформировать учебно-тренировочные операции для любого типа обучаемого независимо от предметной области, на основе содержащегося в базе знаний учебного материала, что обеспечивает повышение дидактического потенциала БЗ АСУО РТС.

8 Проведен синтез обобщенной структурной модели АСУО РТС. Отличительной особенностью является наличие в ней базы знаний, служащей для формирования модели управления процессом обучения и выработки (выбора) воздействия с целью приведения процесса обучения к необходимому виДУ.

9 Эффективность применения АСУО РТС в процессе управления освоением радиотехнических средств подтверждена результатами учебного эксперимента. Анализ результатов эксперимента показал, что использование таких систем повышает эффективность освоения радиотехнических средств на 14−19%. Эффект от внедрения разработанных программных средств получен за счет совершенствования методики управления процессом обучения, а также за счет экономии ресурса реальной техники.