XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире прогресс производительности программиста практически достигается только в тех случаях, когда часть интеллектуальной нагрузки берут на себя компьютеры. Одним из способов достигнуть максимального прогресса в этой области, является "искусственный интеллект", когда компьютер берет на себя не только однотипные, многократно повторяющиеся операции, но и сам сможет обучаться. Кроме того, создание полноценного "искусственного интеллекта" открывает перед человечеством новые горизонты развития.

Одним из направлений в области искусственного интеллекта являются интеллектуальные информационные системы. Интеллектуальные информационные системы - это естественный результат развития обычных информационных систем. Они сосредоточили в себе наиболее наукоемкие технологии с высоким уровнем автоматизации не только процессов подготовки информации для принятия решений, но и самих процессов выработки вариантов решений, опирающихся на полученные информационной системой данные.

Современный этап развития информационных систем можно обозначить как этап их интеллектуализации. Разработка информационных систем без интеллектуализации уходит в прошлое. Какими интеллектуальными свойствами должна обладать информационная система, какие структурные части должны быть интеллектуальными — это современные актуальные проблемы.

1 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Современное состояние информационных систем и технологий можно охарактеризовать следующими тенденциями:

Наличие большого количества промышленно функционирующих баз данных большого объема, содержащих информацию практически по всем видам деятельности общества.

Создание технологий, обеспечивающих интерактивный доступ массового пользователя к этим информационным ресурсам. Технической основой данной тенденции появились государственные и частные системы связи и передачи данных общего назначения и специализированные, объединенные в национальные, региональные и глобальные информационно-вычислительные сети.

Расширение функциональных возможностей информационных систем, обеспечивающих параллельную одновременную обработку баз данных с разнообразной структурой данных, мультиобъектных документов, гиперсреды, в том числе реализует технологии создания и ведения гипертекстовых баз данных. Создание локальных, многофункциональных проблемно ориентированных информационных систем различного назначения на основе мощных персональных компьютеров и локальных вычислительных сетей.

Включение в информационные системы элементов интеллектуализации интерфейса пользователя, экспертных систем, систем машинного перевода, автоиндексирования и других технологических средств.

В результате чего, выделяют пять основных тенденций в развитии информационных систем и технологий:

Осложнения информационных продуктов (услуг). Информационный продукт в виде программных средств, баз данных и служб экспертного обеспечения приобретает стратегическое значение.

Способность к взаимодействию. С ростом значимости информационного продукта возможность провести идеальный обмен этим продуктом между компьютером и человеком или между информационными системами приобретает значение ведущей технологической проблемы. Также эта проблема касается совместимости технических и программных средств. Все проблемы обработки и передачи информационного продукта находились в полном соответствии совместимости и быстродействия.

Ликвидация промежуточных звеньев. Развитие способности к взаимодействию ведет к совершенствованию процесса обмена информационным продуктом, а значит, при взаимоотношении поставщиков и потребителей в этой области ликвидируются промежуточные звенья. Не нужны посредники, если есть возможность размещать заказы непосредственно с помощью информационных технологий.

Глобализация. Фирмы могут с помощью информационных технологий вести дела где угодно, получая исчерпывающую информацию. Глобализация рынка информационного продукта нацелена на получение преимуществ за счет распределения постоянных и полупостоянных расходов на более широкий географический регион.

Конвергенция. Исчезают различия между изделиями и услугами, информационным продуктом и средствами, использованием в быту и для деловых целей, информацией и развлечением, а также среди различных режимов работы, таких как передача звуковых, цифровых и видеосигналов.

Данные тенденции приводят к осуществлению распределенных персональных вычислений, когда на каждом рабочем месте достаточно ресурсов для обработки информации в местах ее возникновения; созданию развитых систем коммуникаций, когда рабочие места соединены для пересылки сообщений; гибким глобальным коммуникациям, когда предприятие включается в мировой информационный поток; созданию и развитию систем электронной торговли; устранению промежуточных звеньев в системе интеграции организация - внешняя среда.

2 ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Реализация интеллекта в информационных системах (ИС) имеет свою историю. Сначала это была реализация стратегических выигрышных алгоритмов, такие стратегии использовались для реализации различных компьютерных игр. Далее происходило внедрение основ логики и элементов логического вывода. Начали появляться так называемые экспертные системы.

Сегодня ставится проблема интеллектуализации компьютера. А это требует совсем другого подхода, который включает в себя интеллектуализацию интерфейса, возможность использования и накопления экспертных знаний (накопление опыта), вопросы обучения и самообучения, которые основаны на идеях нейроинформатики, накопление не только знаний из узкой предметной области, но и вообще метапредметных знаний. Необходимо отдельно рассматривать следующие методы интеллектуализации ИС:

— интеллектуализация интерфейса ИС;

— ИС управления предприятием;

— ИС управления технологическими процессами, производством;

— информационные технологии защиты информации и безопасности сетей и коммуникаций;

— ИС распознавания символов, образов, речи, перевода;

— интеллектуализация геоинформационных систем;

— интеллектуальные ИС для медицины.

Решение методов интеллектуализации всех перечисленных ИС и их структурных частей позволит приблизиться к созданию интеллектуального компьютера.

Рассмотрим особенности реализации интеллектуализации информационных систем. Для интеллектуализации ИС управления предприятием необходимо реализовать цикл управления: накопление информации — анализ информации — принятие решения — доведение решения до исполнения.

Главным этапами интеллектуализации, конечно, являются анализ и принятие решения. Следовательно, данная информационная система должна содержать как экспертные знания, так и знания законов эффективности управления предприятием, должна уметь построить различные ситуативные модели и предложить наиболее оптимальные. На этапе накопления информации могут использоваться интеллектуальные речевые технологии.

Для интеллектуализации управления технологическими процессами должен быть автоматизирован и ввод актуальной информации, то есть должны использоваться датчики различных параметров. Причем такие системы должны быть обучаемы и самообучаемы.

В информационных технологиях защиты информации и безопасности сетей и коммуникаций должны использоваться так называемые интеллектуальные агенты, которые могут распознавать своих и не допускать в систему чужих агентов и пользователей. Агентный подход удобно реализовать и для разработки интеллектуальных операционных систем.

Для интеллектуализации геоинформационных систем требуется возможность детализации в системе картографической информации до конкретных реальных объектов: карта — масштабирование карты — детализация объектов. Современные спутниковые технологии уже позволяют реализовать первые два пункта данной цепочки.

Интеллектуальные медицинские системы требуют визуализации проникновения специалистов в самые сложные органы человеческого организма.

Таким образом, для формирования современных интеллектуальных информационных систем требуется решение следующих научных проблем:

распознавание образов, речи;

разработка оптимальных методов визуализации различных объектов и процессов;

методология обучения и самообучения информационной системы;

снабжение инструментария разработки информационных систем различными готовыми интеллектуальными агентами (сервисами), в том числе и по защите информации и целостности баз данных;

снабжение разработчиков инструментами оптимизации баз знаний и банков данных;

создание адаптируемых (абстрактных) интеллектуальных информационных систем.

3 АРХИТЕКТУРА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Интеллектуальная информационная система (ИИС) – это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, имеющая возможность хранения, обработки и выдачи информации, а также самостоятельной настройки своих параметров в зависимости от состояния внешней среды (исходных данных) и специфики решаемой задачи.

3.1 Структура интеллектуальных информационных систем

Говоря об архитектуре ИИС, прежде всего, понимают организацию структуры, в рамках которой происходило бы применение знаний и решение проблем в конкретной предметной области. Выбор соответствующей структуры, свойства и функции компонентов систем ИИС, определяется и направляется формулируемыми принципами инженерии знаний.

В зависимости от характера выполняемых функций и области действий, эксперты выполняют несколько характерных задач, которые являются типичными. Их анализ служит ориентиром при рассмотрении архитектуры производственных систем, основанных на знаниях. Эти задачи следующие: интерпретация, планирование, управление, проектирование, прогнозирование, диспетчирование, мониторинг и диагностика. А главное — эксперт способен обновлять свои знания, обучаться, объяснять действия, обосновывать решения, прогнозировать развитие ситуаций, актив­но взаимодействовать с внешней средой и воспринимать информа­цию различного характера, получать решения на основе имеющихся знаний, хранить в памяти необходимую информацию и фактографические данные.

Таким образом, чтобы создать систему, работающую со знаниями и способную в какой-то мере заменить эксперта или помочь ему в принятии решений при управлении производством, необходимо стремиться заложить в архитектуру нашей системы возможности по реализации названных функций.

Производственная система ИИС организует и направляет свое функционирование в соответствии с воплощенными в нее архитектурными проектными принципами. Для каждой управляющей схемы могут потребоваться своя база знаний и соответствующий механизм вывода, который работает со знаниями. Обычно интеллектуальные системы взаимодействуют с конечными пользователями, экспертом, инженером знаний, внешними базами данных, прикладным программным обеспечением.

Пользовательский интерфейс обеспечивает связь на ограниченном естественном языке, речевой ввод, а также визуальные представления (графику, техническое зрение). В качестве пользователя может выступать либо человек-оператор, либо сам производственный процесс, в случае закрытых циклических операций. Для некоторых производственных процессов, бывают, необходимы средства для автоматического получения данных и их обработки, а также обратной связи по управлению. С инженером знаний интеллектуальная система обычно связывается с помощью структурных редакторов, которые позволяют ему получать и модифицировать компоненты базы знаний.

Взаимодействие интеллектуальной системы с прикладным программным обеспечением осуществляется при выполнении специальных вычислений, так как часто возникает необходимость использовать в качестве подзадач стандартные операции по обработке данных.

Связь с распределенной базой данных интегрированной системы управления производством и Интернет используется интеллектуальными системами для получения данных и знаний, рассредоточенных на различных уровнях иерархии управления. Кроме того, организуется взаимодействие с внешними базами данных и Интернет.

При проектировании интеллектуальных систем и выборе их архитектуры следует разрабатывать не просто независимое программное обеспечение, которое оценивает существующий производственный объект. Надо стремиться к тому, чтобы интеллектуальная система была приближена к различным элементам процесса, выступала в качестве одного из основных звеньев технологической цепочки управления и организации.

3.2 Интеллектуальный интерфейс

Производственные системы интеллектуального интерфейса функционируют в подавляющем большинстве реализаций в интерактивном режиме с пользователями, поэтому они должны обладать дружелюбным интерфейсом, позволяющим человеку легко и в удобной для него форме взаимодействовать с компонентами. Общение человека и ИС могут обеспечивать и реализовывать различные программные и технические средства ввода и вывода информации.

Термин «пользовательский интерфейс» охватывает все аспекты взаимодействия между пользователем и интеллектуальной системой. Он включает не только техническое и программное обеспечение, но также факторы, которые связаны с обеспечением использования, доступности и человеко-машинного взаимодействия. Многие специалисты определяют пользовательский интерфейс как наиболее важный компонент системы, так как большинство характеристик, таких как эффективность, гибкость, легкость использования являются производными этого компонента.

Развитие способностей и возможностей комфортного и качественного взаимодействия пользователя с системой, которая организует, предоставляет этот компонент, позволяет говорить об интеллектуальном интерфейсе.

Подсистема интеллектуального интерфейса управляется программным обеспечением, называемым управляющая система интеллектуального интерфейса. Эта управляющая система состоит из нескольких программ, которые обеспечивают способности, некоторые из которых перечислены ниже:

обеспечение графического пользовательского интерфейса;

организация взаимодействия пользователя с различными входными устройствами;

представление данных с различными форматами и на разные входные устройства;

представление пользователю помощи, подсказок, советов, диагностического режима работы или другой гибкой поддержки;

обеспечение взаимодействия с базой данных и базой моделей;

хранение входных и выходных данных;

обеспечение цветной графики, трехмерной графики;

окна, позволяющие отображать множество функций одновременно;

поддержка взаимодействия между пользователями и разработчиками системы;

обеспечение обучения на примерах;

обеспечение гибкости и адаптивности;

взаимодействовать во многих различных стилях диалога.

Вид интерфейса определяет то, как информация введена и отображена. Он также определяет легкость и простоту обучения и использования системы.

Существуют следующие виды интерфейса:

Взаимодействие на основе меню. При этом виде взаимодействия пользователь выбирает позицию или пункт из списка возможных выборов (меню) для того, чтобы функция была выполнена. Меню появляются в логическом порядке, начиная с главного меню и продвигаясь к локальным меню. Пункты меню могут включать команды, которые появляются в отдельных локальных меню или в меню с не командными пунктами. Меню может оказаться утомительным и продолжительным по времени, когда анализируются сложные ситуации, т.к. это может потребовать несколько меню для построения или использования системы и пользователь должен перемещаться назад и вперед меню.

Командный язык. При этом виде пользователь вводит команды. Многие команды включают комбинации «глагол-существительное». Некоторые команды могут исполняться с функциональными ключами. Другим способом упрощения команд является использование макросов. Команды могут также вводиться голосом.

Вопросно–ответная форма интерфейса начинается с вопросов компьютера пользователю. Пользователь отвечает на вопросы фразой или предложением (или выбором пункта меню). Компьютер может подсказывать пользователю для прояснения или дополнительного ввода информации. В некоторых применениях порядок вопросов может быть обратным: пользователь задает вопросы, а компьютер дает ответы.

Формирование взаимодействия. Пользователь вводит данные или команды в обозначенные формы (поля). Заголовки формы (или отчета, или таблицы) служат подсказками для входа. Компьютер может представлять какой-то выход как результат, и пользователь может быть спрошен о продолжении интерактивного процесса.

Естественный язык. Взаимодействие человек – компьютер, которое подобно диалогу человека с человеком называется естественным языком. Сегодня диалог на естественном языке выполняется главным образом посредством клавиатуры. Такой диалог будет проводиться в будущем с использованием голоса для ввода и вывода информации. Главным ограничением использования естественного языка является по существу неспособность компьютера понимать естественный язык. Однако, достижения интеллектуального интерфейса все больше повышают уровень диалога на естественном языке.

Графический пользовательский интерфейс. В графическом пользовательском интерфейсе объекты обычно представляются как пиктограммы (или символы) и пользователь непосредственно ими манипулирует. Новейшие операционные системы компьютеров и их приложения исключительно основаны на графике.

3.3 Разработка и проектирование интеллектуальных систем

Проектирование интеллектуальных систем - это итеративный и эволюционный процесс, в котором участвуют несколько специалистов: эксперт, обладающий знаниями о предметной области и желающий помочь работе по созданию системы, а также специалисты в области искусственного интеллек­та - инженеры знаний, аналитики и программисты. В зависимости от объема и трудоемкости работ группа может состоять из трех - шести человек.

При оценке проблемной области на этапе проектирования интеллектуальных систем необходимо учитывать следующие факторы: легкость сбора данных, представимость данных, оправданность затрат на разработку интеллектуальных систем, наличие экспертов, наличие необходимых ресурсов (компьютеров, программистов, программного обеспечения).

После анализа проблемной области и определения целесообразности внедрения интеллектуальной системы в этой сфере приступают непосредственно к проектированию системы.

Существуют различные взгляды на определение числа этапов проектирования интеллектуальных систем. Это зависит от многих факторов, в част­ности от характера функций будущей интеллектуальной системы, области использования, наличия развитых инструментальных средств.

Процесс проектирования интеллектуальных информационных систем разделен на следующие этапы:

Первый этап - идентификация определения задач и идентификация их характеристик. На этом этапе устанавливаются задачи, которые предполагается решать, их характеристики и особенности. Разрабатывается техническое задание на проектируемую систему. Далее очерчивается круг пользователей системы. Эти сведения помогут в дальнейшем правильно определить область знаний эксперта, определить функции системы и, как следствие, уровень необходимых знаний. В результате вырабатываются определенные требования.

Второй этап - выделение главных концепций предметной области, которые отражают знания круга экспертов. Это дает возможность анали­зировать тип знаний, которыми оперирует эксперт в процессе принятия решений. Инженер по знаниям определяет формальные средства представления знаний и процедуры получения решений, которые в наибольшей степени соответствуют характеру рассуждений эксперта при выводе решения. Таким образом, в результате выполнения этого этапа выявляются и формулируются понятия, определяющие выбор характерной схемы представления знаний эксперта о предметной области.

Третий этап - выбор формализма представления знаний и определение механизма вывода решений. Эти компоненты моделирования в значительной степени влияют на успешное решение поставленной задачи по проектированию системы. Разработанная структура для представления знаний является основой для реализации следующего этапа — непосредственного построения базы знаний системы.

Четвертый этап - выбор или разработка языка представления знаний. После того как правила сформулированы и представлены на выбранном языке представления, они заносятся инженером знаний в БЗ.

Пятый этап - тестирование системы. Работоспособность системы определяется путем решения конкретных проверочных задач. При выявлении различных недостатков происходит обращение к тому или иному этапу разработки в зависимости от характера недостатков. При отсутствии каких-либо знаний в системе или их недостаточной определенности возвращаются к четвертому этапу и по возможности вносят поправки. В случае если какие-либо знания, представленные экспертом практиче­ски невозможно представить в пределах формализма выбранной модели представления знаний, то возвращаются к третьему этапу и выбирают альтернативные модели или схемы представления знаний. Возможно, что причиной возврата может служить недостаточно адекватный базовый механизм логического вывода. Возникают ситуации, когда требуется переформулирование проблемы, так как исходная постановка задачи была неправильной.

Приведенная последовательность работ достаточно полно и подробно раскрывает процесс проектирования ИИС, но некоторые важные этапы, связанные с созданием ряда функциональных модулей систем, не рассмотрены. Более подробный перечень работ при проектировании интеллектуальных систем выглядит следующим образом:

извлечение знаний из эксперта и передача их системе;

выбор способа представления знаний в системе;

выбор стратегии вывода (управления);

выбор подсистемы объяснения;

выбор подсистемы взаимодействия с пользователем;

выбор адекватных средств реализации системы. Однако здесь, уже отсутствуют некоторые важные этапы, описанные выше.

Как уже отмечалось, содержание работ, число этапов проектирования интеллектуальных систем, последовательность их выполнения зависят от целого ряда объективных и субъективных факторов. Однако многие этапы и содержание работ являются общими и необходимыми для интеллектуальных систем практически всех типов. Ниже приводится перечень таких этапов и их составляющих:

Описание проблемной области - определение проблемной об­ласти, показывающее важность проблемы для всей организации; определение проблемных экспертов, желающих передать экспертизы (знания) базе знаний; подготовка и объявление плана развития.

Персонал - определение группы проектировщиков и соответствующих заданий; назначение квалифицированного руководителя проекта; установление и проведение в жизнь твердой линии управления.

Принятие проекта - проведение организационного заседания; обсуждение основного подхода к проблеме; подготовка специального плана развития; подготовка к монтажу необходимых технических средств и инструментария.

Прототип системы - развитие системного прототипа: тестирование; получение дополнительной информации о проблемной области по результатам тестирования.

Развитие полной системы - расширение базы знаний прототипа; оценивание структуры интерфейса пользователя; объединение средств обучения пользователей и документации.

Верификация системы - вовлечение в процесс проверки экспертов и потенциальных пользователей; обеспечение функционирования системы в соответствии с проектом.

Интеграция системы - выполнение полной системы, как пла­нировалось; обеспечение совместимости и взаимодействия системы с уже действующими.

Поддержка системы - обеспечение непрерывной поддержки системы; модернизация базы знаний в случае поступления новой информации; сохранение ответственности за систему.

Документация - подготовка полной документации системы; подготовка руководства для пользователя; организация консульта­ций пользователям.

Этапы создания интеллектуальных систем не являются четко очерченными и подробно регламентированными. Между некоторыми из них трудно провести временную и содержательную границу. Но данные этапы почти точно описывают стандартный процесс проектирования интеллектуальных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщая изученную тему можно сказать, что интеллектуальные технологии, позволяющие создавать практически полезные интеллектуальные системы, находятся в непрерывном развитии. В настоящее время для реализации технологии экспертных систем имеются достаточно мощные инструментальные средства. Они быстро совершенствуются путем добавления пакетов программ и средств проектирования аппаратных реализаций. Развиваются новые технологии в области нейроморфных систем, моделирующих некоторые структуры мозга, в области параллельных вычислений и квантовых компьютеров. Эти технологии должны существенно поднять уровень интеллектуальности систем в будущем.

Однако до создания интеллектуальных систем, обладающих разумностью человека, пока еще далеко. Изучение и развитие новых подходов и интеллектуальных методов решения трудно формализуемых задач обработки информации и управления позволит приблизить это время. Перспективы такого развития — создание разумных систем, способных обрабатывать информацию как человек, или искусственных нервных систем гуманоидных роботов, подлинных помощников и друзей человека в ближайшем будущем.

Таким образом, развитие этого направления позволит создавать обучаемые интеллектуальные системы с элементами мышления и осознанного поведения. Добавление некоторых креативных способностей, связанных, например, с автоматическим построением гипотез и моделей, а также самообучением решению новых задач, позволит еще больше повысить эффективность интеллектуальных систем.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Архитектура интеллектуальных информационных систем: сайт. – URL: https://textarchive.ru/c-1757577-p3.html (дата обращения: 01.10.2020). – Текст: электронный.

Интеллектуальные информационные системы: сайт. – URL: http://pgsha.ru:8008/books/study/%CA%EE%E7%EB%EE%E2%20%C0.%CD.%20%C8%ED%F2%E5%EB%EB%E5%EA%F2%F3%E0%EB%FC%ED%FB%E5%20%E8%ED%F4%EE%F0%EC%E0%F6%E8%EE%ED%ED%FB%E5%20%F1%E8%F1%F2%E5%EC%FB.pdf (дата обращения: 01.10.2020). – Текст: электронный.

Поклад П.М. Анализ методов интеллектуализации управления сложными динамическими объектами: научная статья / Вестник ИГЭУ. 2010. № 2. С.1—4. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-metodov-intellektualizatsii-upravleniya-slozhnymi-dinamicheskimi-obektami (дата обращения: 01.10.2020). – Текст: электронный.

Современные интеллектуальные системы: сайт. – URL: https://studme.org/201004/informatika/zaklyuchenie (дата обращения: 01.10.2020). – Текст: электронный.

Современные информационные технологии: сайт – URL: https://bstudy.net/660963/informatika/sovremennye_informatsionnye_tehnologii (дата обращения: 01.10.2020). – Текст: электронный.

Тенденции развития информационных систем: сайт. – URL: https://infopedia.su/17xe45c.html (дата обращения: 01.10.2020). – Текст: электронный.

Код для цитирования: Скопировать