opisanie-temy_2
advertisement
1. Название темы. "Однородная универсальная решающая обучаемая среда" 2. Вводная часть. 2.1. Предполагаемая тема относится к области науки — кибернетике. 2.2. До предполагаемого в данной теме материала, множество задач, относящихся к области науки - кибернетике решалось традиционными, классическими методами, а именно: теория вероятностей, теория матриц, теория алгоритмов, методы оптимизации и т.д. 2.3. Сущность темы состоит в том, что установлено неизвестное ранее явление - способность решающей среды, построенной на основе взвешенных линейных функций, адаптироваться и обучаться различным классам задач, таким, как распознавание образов, моделирование поведения разумных существ, принятие рациональных решений в многокритериальных ситуациях, комплексный интегральный анализ, прогнозирование и т.д. 2.4. Кратко значение предполагаемой темы можно определить, как возможность образования принципиально-нового подхода к созданию систем искусственного интеллекта и возможность создания нового поколения высокоэффективных средств вычислительном техники с последующим построением на их основе качественно-новых управляющих и технологических систем. 2.5. Коренное изменение в уровень научного познания данная тема вносит следующее - дается возможность описать и представить в виде эффективных математических и физических моделей все многообразие явлений нашего существования и жизнедеятельности. Кроме того, применение однородной универсальной решающей обучаемой среды в совокупности с классическими математическими методами современной кибернетики обеспечит более эффективное внедрение в народное хозяйство объективных методов принятия решений. 3. Доказательства достоверности темы. 3.1. На первом этапе доказательства достоверности материалов темы целесообразно провести общее описание ситуации, которая легла в основу проблемы установления неизвестного ранее явления — способности решающей среды, построенной на основе линейных взвешенных функций, адаптироваться и обучаться различным классам задач. Человек постоянно принимает решения: будь то просто "созерцание" чего-либо и тогда человек распознает образы (объекты), принимая решение о классификации образов и выделении типа объекта внутри выбранного класса; или человек решает задачу, принимая решение о возможных методах ее решения и далее, выбрав метод, решает как этот метод правильно применить; либо, попав в стрессовую ситуацию, человек принимает решение о том, как с минимальными потерями из нее выбраться; либо, если человек стал в развитии своем мудрым, он ищет решение, позволяющее избежать попадания в стрессовую ситуацию. Как показывает опыт, человек весьма успешно решает это многообразие задач по принятию решений. 3.2. Анализ алгоритмов решения упомянутого множества задач показывает, что в них используется общий "корень", а именно, результат решения - есть некоторое руководство к принятию решения о чем-либо. 1 Кроме того, общим во многих задачах принятия решений, проглядывается интегральный уровень восприятия, отдельных составляющих многокритериальных функций и быстрое их вычисление. Еще одна составляющая. Не всегда человек принимает оптимальное решение, во многих случаях значительно сильнее бывает его рациональное решение и только лишь в отдельные моменты оно совпадает с оптимальным. 3.3. Таким образом, из несколько сумбурной постановки, вытекает следующая задача! Необходимо быстро и комплексно уметь оценивать многокритериальную ситуацию и принимать рациональное решений. Исходя из постановки задачи можно сказать, что получение рационального решения связано с вычислением и исследованием некоторого обобщенного критерия качества, включающего в себя большое (некоторое) число параметров. Параметры, влияющие на содержание критерия качества, следует считать взвешенными, это даст нам право объединять качество и количество в один составной критерий. Конечно, необходимо дополнительно позаботиться о нормировании и приведении параметров, которые, будучи оценены, являются частными критериями качества. Общий вид модели элементарной структурной единицы предлагаемой однородной универсальной решающей обучаемой среды представлена на рис.1. ij m j=1 Qi = ij bj bj min bj Qi max Решение Qi ij Рис.1. Общий вид модели. Обозначения, принятые в модели: ij – элементы матрицы нормированых и приведенных исходных значений частных критериев, причем: i = I, 2,..., n - номер (шифр) альтернативного варианта рационального решения; j = I, 2,..., m - номер (шифр) частного критерия качества; bj - коэффициент важности или весовой коэффициент j-го критерия Qi - обобщенный критерий качества альтернативного варианта рационального решения. Структура однородной универсальной решающей обучаемой среды представлена на рис.2. Данную среду можно считать однородной, что по нашему мнению, снимает много ограничений на классы решаемых задач. Узлы среды, выдающие промежуточные или окончательные решения, могут быть дополнены элементами 2 памяти, стробируемыми признаками рационального решения и тогда среда будет пригодна для моделирования и воссоздания процессов интеллектуальной деятельности человека. 3.4. Дальнейшее доказательство достоверности предполагаемого открытия попробуем провести на примере анализа мыслей "Патриархов" кибернетики: А.Берга, Э. Кольмана, В. Пекелиса, А. Колмогорова, А. Ивахненко, Уильяма Росс Эшби, Л. Кузина, А. Петрова, Д. Мартина и т.д. "...Информационный вакуум для живого существа - смерть..." И это определение, по нашему мнению, должно быть положено в основу построения адекватных живому существу моделей. Вообще информационный вакуум можно считать гибельным, катастрофическим явлением для всех классов систем, у которых результат функционирования - суть некоторое решение. "...Часто кибернетику определяют как науку, занимающуюся изучением управляющих систем. Считается, что все такие системы обладают общими свойствами и свойство № 1 у них - наличие цели". Если в основу определения кибернетических систем положить определение систем целевого назначения, то для их моделирования и изучения целесообразно применять целевые функции. В связи с тем, что кибернетические системы существуют в условиях воздействия интенсивного информационного потока, то линейные взвешенные функции типа Qi = Σijbj могут в значительной степени позволить приблизиться к возможности создания реальных моделей. Это не голословное заявление. Скорость вычисления таких функций может стать соизмеримой со скоростью принятия управляющих решений живым существом, а возможность сравнивать и вычислять совместно качество и количество в наибольшей степени соответствует модели комплексного восприятия, оценки и принятия решения человеком. Если предположить, что запоминать в случае применения предлагаемой модели, нужно не составляющие критерии целевых функций, а лишь вычисленные значения Qi, которые определяют рациональные решения, то снимается с повестки дня вопрос о технической невозможности создания памяти сверхбольшого объема и достаточного быстродействия. 3 ij m Qi = ij bj j=1 ij m Qi = ij bj j=1 bj bj min Qi max b j min bj Qi max Решение Решение Qi ij Qi ij ij ij ij ij m Qi = ij bj j=1 m Qi = ij bj bj j=1 min Qi max bj bj min Qi max bj Решение Решение Qi ij Qi ij ij m Qi = ij bj j=1 bj min bj Qi max Решение (выделенный образ, управляющее воздействие, комплексная оценка и т.д.) Рис.2. Структура однородной универсальной решающей обучаемой среды 4 Далее, можно допустить, что понятие "действовать целесообразно" включает умение охранять себя от разрушающих воздействий или, например, способствовать размножению себе подобных. И это понятие успешно связывается с вычислением многокритериальной целевой функции. Ее несоответствие некоторым эталонам или некоторому интервалу рациональных значений есть указание о грозящих разрушениях, а решение принимаемое разумной системой есть попытка сохранить себя. Определение, что одной из главных задач кибернетики можно считать изучение в общей форме возникновения и поведения систем, к которым применимо понятие целесообразности, позволяет перейти к постановке задачи. Эта постановка должна существовать вне зависимости от энергетики, химии этих систем на современной уровне. Хотелось бы на общей языке, одном и том же для всех высокоорганизованных систем, уметь описывать и все явления жизни человеческого общества. Здесь весьма подходящим является определение многокритериальной целевой функции, которая в естественной форме собирает количественные оценки частных критериев качества. А сама величина функций описывает целесообразность. Следующее важное замечание "....Наше сознание оперирует небольшими количествами информации. Количество единиц информации, которое человек воспринимает и перерабатывает в секунду, совсем невелико". Вот один из парадоксов: "...слаломист в течение 10 секунд воспринимает и перерабатывает значительно больше информации, чем математик пропускает через свою голову за сорок секунд напряженной работы". Чтобы соразмерить и объяснить приведенный в качестве примера парадокс, можно ввести такое понятие: сознание имеет универсальный решатель проблем (вычислитель целевых функций), а вся остальная работа это ввод и преобразование исходной информации. Чтобы еще больше сблизить возможности математика и слаломиста следует считать, что независимо от качества информации и ее содержания целевая функция может быть достигнута за одинаковое время. И последнее замечание: конструкция языка, анализ фраз и оборотов и вообще смысл языка, скорее всего попытка передать некоторую целевую функцию, внедрить (передать) цель. Возможно, что это замечание справедливо и для разговорной речи и для текстов. "...Если наряду со всеми способностями человека воспринимать, перерабатывать и накапливать самую различную информацию разумные искусственные существа будут обладать еще и определенным быстродействием в выполнении этих операций, то естественно, что их самоусовершенствование будет идти значительно интенсивней, чем эволюция мышления человека." Наверное, следует, несмотря на некоторую повторяемость, еще раз определить: целевая функция вычисляется одинаково для различных целей, меняется лишь число частных критериев и распределение весовых коэффициентов. Вопрос о быстродействии опять же решается только за счет того, что предлагаемая структура универсальной решающей среды является однородной, а для решения линейных функций не требуется много ресурсов и времени. "...Разумной следует считать систему, способную выполнять подходящий отбор. Эта способность является критерием разумности. Иными словами разумен тот, кто разумно действует". "...Живой организм, если он действует разумно, ведет себя так, чтобы поддержать себя живым". Весьма важным является определение того, что человек постоянно предпрограммирован, в то время как ЭВМ последовательно выполняет алгоритмы от начала до конца. 5 В привязке к предлагаемой среде и модели поведения человека, на ее основе можно сказать: разумный организм постоянно нацелен на вычисление оценочной функции полезности своего поведения (будь-то самозащита или добывание пищи, или элементарные шаги по асфальту). Предпрограммирование же, это суть хранения распределения весов для частных критериев качества и хранения рациональных значений целевых функция. Следующим этапом доказательства достоверности предполагаемого открытия является доказательство или установление адекватности результатов, полученных с помощью моделей на основе линейных взвешенных функций и реальных или доказанных другими способами закономерностей и результатов функционирования аналогичных процессов. 3.5. Процедура выбора рациональной элементной базы при проектировании сложной и дорогостоящей аппаратуры (на примере выбора элементной базы устройства обработки прерываний ЭВМ третьего поколения ЕС-1050) является примером принятия решения в многокритериальной ситуации, Аналогично, процедуры выбора рациональных структур упомянутого выше устройства и структуры вычислительного комплекса, реализующего параллельные вычислительные процессы для некоторых классов задач, являются демонстрацией успешной работы универсальной решающей среды в многокритериальных задачах. Описания методик экспериментов по перечисленным ваше проблемам доны в приложении 1 к настоящему описанию. 3.6. Комплексный интегральный анализ технико-экономической информация в отраслевой АСУ демонстрируется решением указанной задачи на примере анализа деятельности подотрасли, связанной с механизацией животноводческих ферм и электрификацией сельскохозяйственного производства Госкомсельхозтехники СССР. В данном примере универсальная решающая среда дополнена элементом обучения. Методика комплексного анализа техникоэкономической информация описана в приложении 2 к настоящему описанию. 4. Область научного и практического использования темы. 4.1. Научные проблемы, которые можно будет решить на основе темы следующие: - создание эффективной модели искусственного интеллекта; - новый подход и новые структуры отраслевых и общегосударственной систем управления; - новые функциональные структуры однородных универсальных вычислительных средств; - новые подходы к решению проблем, относящихся к распознаванию образов; - прогнозирование народного хозяйства, социально-политической и международной обстановки; - новые алгоритмы расшифровки и зашифровки информации. 4.2. Практическое использование темы, вытекающее из возможности реализации перечисленных выше научных проблем заключаются в следующем: - разработка и внедрение нового поколения универсальных ЭВМ (включая однородные универсальные решающие среды); - разработка и внедрение аффективных читающих и распознающих автоматов; - разработка новых принципов в роботостроении; - внедрение новых алгоритмов технической и других видов диагностики; - разработка и внедрение новых шифровальных и дешифровальных средств; 6 - разработка и внедрение новых средств управления в различных системах. Приложение 1 Выбор варианта реализации и элементной базы устройства прерывания ЭВМ третьего поколения На основании принципов работы системы прерываний ЕС ЭВМ (IBM-360) можно сделать вывод, что устройство прерываний должно обеспечивать взаимодействие с большим числом устройств вычислительной машины: с процессором, каналами В/В, специализированными внешними устройствами, которые являются в свою очередь конструктивно и функционально законченными устройствами. Функции, выполняемые устройством прерываний, не зависят от типа вычислительной машины, построенной по принципам работы ЕС ЭВМ. Поэтому появляется возможность создать функционально и конструктивно законченное устройство прерываний, позволяющее использовать его в различных машинах, входящих в семейство ВС ЭВМ. В то же время, разработка устройства прерываний конкретно для каждого типа машины, возможно, позволит создать наиболее простое и дешевое устройство. Кроме того, для создания средств, диагностики и контроля этот вариант, возможно, более приемлемый. Следует рассмотреть и промежуточный вариант, который подчеркивает лучшие качества первых двух вариантов. В случае создания устройства прерываний в виде функционально и конструктивно законченного устройства, мы можем организовать стандартную систему связей (интерфейс), которая возводит однажды разработанное устройство использовать в любой вычислительной машине, выполняющей принципы операций ЕС ЭВМ. При этом затрудняется создание средств контроля и диагностики, несколько увеличивается оборудование, снижается надежность устройства. При создании промежуточного варианта мы можем частично задействовать оборудование процессора, что будет в лучшей мере учитывать его структуру (например, несколько уровней совмещения операций, микропрограммная логика и т.д.) Все эти оценки являются качественными и не могут в полной мере служить обоснованием для выбора того или иного варианта. Для выбора рационального варианта структуры и элементной базы устройства прерываний необходимо критерии качества свести в матрицу параметров вида: X= Х11 Х12 ... Х1m X21 X22 ... X2m : Xn1 Xn2 ... Xnm где: i = 1, 2, …, n - номер рассматриваемого варианта реализации устройства; j = 1, 2, …, m - номер учитываемого параметра. Критерии (параметры) матрицы X, имеющие количественна выражения приводим к такому виду, чтобы большему значению критерия соответствовало лучшее качество устройства прерываний. Критерии, не удовлетворяющие этому условию, пересчитываются по формуле: Yij = 1 / X ij В результате этого преобразования получаем матрицу приведенных параметров вида: 7 Y = Yij Следующим шагом является нормирование параметров матрицы по формуле: Ymaxj - Yij ij = Ymaxj где: ij - нормированный параметр; Ymaxj - максимальное значение j-го параметра. В результате нормирования получается матрица нормированных параметров вида: = ij где каждому приведенному параметру Yij соответствует нормированный параметр ij. Для обобщенного анализа вариантов реализации устройства прерываний вводится оценочная функция вида: m Qi = ij bj j=1 Первый вариант - конструктивно и функционально законченное устройство; Второй вариант - устройство частично использует оборудование процессора, но имеет некоторый интерфейс; Третий вариант - устройство разрабатывается для каждой машины и в большой степени использует оборудование процессора. Величина оценочном функции Q имеет меньшее значение для второго варианта реализации устройства прерываний. Этот вариант можно считать рациональным. В целях выбора рациональной элементной базы дадим ее фактический обзор. Для реализаций устройства прерываний можно использовать комплексы интегральных микросхем (ИС) Е2 или Е1, которые предназначены для построения логических узлов я блоков старших моделей ЕС ЭВМ. Эти комплексы является совместимыми во входным и выходным уровням логических перепадов отличаются различной мощностью рассеивания, быстродействием и нагрузочной способностью. Чтобы обеспечить требуемое время реализации на прерывание в соответствии с заданием можно использовать либо ИС Е1, либо Е2, либо совместно оба этих комплекса. В случае использования ИС Е1 получится очень незначительная глубина логики комбинационной части узлов, что ведет за собой рост оборудования. При использовании ИС Е2 значительно увеличивается глубина логики (до 5 каскадов при передачах внутри ТЭЗ), но резко увеличивается потребляемая мощность, что осложняет охлаждение устройства. При совместном использования ИС Е1 и Е2 появляется возможность более оптимально использовать возможности ИС при построении узлов устройства прерываний. Величина оценочной функции Q имеет меньшее значение для третьего варианта, который предусматривает совместное использование ИС Е1 и Е2. Этот вариант можно считать рациональным. 8 Выводы Настоящий пример рассматривает методику определения оптимальной структуры ВС по совокупности частных критериев качества с учетом их весовых коэффициентов, что позволяет провести предварительный выбор структуры ВС, оптимальной с точки зрения удовлетворения ВС своему назначению. Как показывают оценки, приведенные в работе для решения задач, являющейся аналогом параллельного вычислительного процесса, предпочтительно использовать ВС, построенную с использованием специальных системных средств. Эти результаты нашли свое подтверждение в реализации ряда ЭВМ третьего поколения. Приложение 2. Обобщенный анализ технико-экономической информации в многоуровневых системах управления, на примере Госкомсельскохозтехники СССР. Потоки отчетной информации в системе Госкомсельхозтехники СССР возрастают с каждым годом, что объясняется как увеличением объемов работ и услуг, выполняемых Госкомсельхозтехникой СССР, так и расширением номенклатур сельскохозяйственного оборудования в сфере ее производственной и снабженческой деятельности. В связи с этим задача выработки управляющих решений (воздействий), стоящая перед центральным аппаратом Госкомсельхозтехники СССР, в условиях все увеличивающегося информационного потока и необходимости выявления отклонений отдельных показателей от плановых становится слишком громоздкой и практически неразрешимой. Возникает проблема обобщенного (интегрального) анализа информации, на основе которого могла бы быть выработаны рекомендации по принятию рациональных управляющих решений, включая оптимальные алгоритмы маневрирования материальными и людскими ресурсами для деятельности системы в целом. Сложность подобного интегрального анализа информации определяется многофункциональностью производственно-снабженческой деятельности отрасли. И, как следствие этого, анализ всегда является решением многокритериальной задачи, что даже при небольшой размерности является сложной проблемой. Предлагаемое решение проблемы, как одно из возможных решений, основано на применении для анализа многокритериальных задач линейных взвешенных функций вида: q = f (Qi) (1) где: q - обобщенный критерий качества анализируемой системы, например, отрасли: Qi - обобщенный критерий качества анализируемой подсистемы, например, вида деятельности отрасли, предприятия или организации с учетом номенклатуры или его состояния; q = 1, 2, 3, ..., k - номер (шифр) анализируемой системы; = 1, 2, 3, ..., p - номер (шифр), определяющий вид деятельности; i = 1, 2, 3, ..., n - номер (шифр) предприятий или организаций; = 1, 2, 3, ..., l - номер (шифр), определяющий номенклатуру или состояние оборудования. Как было определено выше, функции и Q по своей природе являются линейными и взвешенными, поэтому в результате вычисления ряда значений и Q проверки их на min и max можно сделать вывод о предпочтительном варианта или состоянии систем (подсистем). Комплексное использование ряда значений и Q может заключаться в получении 9 интегральных оценок состояния системы (подсистемы либо min (max) значения и Q из ряда может определить рациональный вариант управляющего решения. Общий вид предлагаемых линейных взвешенных функций следующий: m (Q) = Zij bj (2) j=1 где: Z = Zij Zij - элементы матрицы частных критериев качества анализируемой системы (подсистемы); j = 1, 2, 3, ..., m - номер (шифр) частных критериев качества системы. bj - весовой коэффициент j-го частного критерия качества. Математическая модель анализа технико-экономической информации по виду деятельности Госкомсельхозтехники СССР, вытекающая из соотношения (2) имеет следующий вид: m Qi = ij bj j=1 где: = ij ij - элементы матрицу нормированных и приведенных исходных значений критериев качества (оперативная информация); i = 1, 2, 3, ..., n - номер (шифр) предприятия или организации Госкомсельхозтехники СССР; j = 1, 2, 3, ..., m - номер (шифр) частного критерия качества. В целях обеспечения равномерности значений Qi на коэффициенты bj следует наложить ограничение вида: m bj = 1 j=1 Сущность и природа весовых коэффициентов может бить определена либо как экспертная оценка весов соответствующих критериев, либо вес назначается опытным путем. И это можно считать допустимым, так как уточнение весов будет происходить на основе обучения модели в соответствии со следующим алгоритмом: ij m Qi = ij bj j=1 bj min bj Qi max Решение Qi ij Суть обучения модели заключается в следующем если полученные с помощью математической модели, описанной соотношением (2), вывода о предпочтительном состоянии системы (подсистемы) или о рациональном решении согласуется со среднестатистическими, то можно на определенный временной интервал провести закрепление выбранных весовых коэффициентов. 10 Если же имеются расхождения, то следует провести перераспределение значений весов (обучить модель) в целях получения адекватных со среднестатистическими оценками вариантов или состояний систем (подсистем) в эти варианты или состояния можно считать рациональными. Матрица = ij получается в результате преобразований исходной техникоэкономической информации. В качестве примера приводится математическая модель вида: m Qi = 1 - ij bj 11