Д.Г. Христьяновский, А.И. ЭрлихПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРИКЛАДНЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХМоделирование и интерпретация моделей как основное средство и инструмент научного отражения и исследования разного рода реальных объектов сами являются предметом многочисленных исследований и разработок. Как известно, существует два основных вида нематематических моделей: содержательно-описательные и формально-математические. Инструментом исследований моделируемого объекта в первом случае являются мыслительно-логические эксперименты с его содержательно-описательной моделью. Такое моделирование используется в тех случаях, когда моделируемый объект слабоструктурирован, т.е. по каким-то причинам для него в рамках существующей теории отсутствует возможность сильной структуризации, приводящей к математическим методам исследования. Следует отметить, что модели сложных реальных объектов и явлений нередко оказываются интегрированными, т.е. включающими в себя и содержательно-описательную, и формально-математическую составляющие. Современные информационные технологии, использующие идеи и методы искусственного интеллекта, позволяют поддерживать оба вида моделей и осуществлять эффективную интеграцию моделей разного вида в единую модель объекта. Эти возможности обусловлены единством существующих сегодня базовых средств отображения различных моделей и методов их исследования во “внутренний мир” вычислительных машин. В качестве таких базовых средств выступают информационные объекты (данные и специальным образом конструируемые структуры данных) и алгоритмы (организуемые специальным образом последовательности встроенных операций преобразования информационных объектов). Культура перехода от формально-математических моделей и методов к алгоритмам и данным складывалась на протяжении всей истории развития вычислительной математики и численных методов. Проблемы отображения содержательно-описательных моделей и средств их исследования в информационные объекты и алгоритмы стали объектом научного изучения сравнительно недавно и составляют одно из основных содержаний искусственного интеллекта. В этом докладе делается попытка взглянуть с единых позиций на технологию моделирования и исследования разных видов объектов с помощью вычислительной техники, основанных на общности и вполне четкой логической определенности процессов научного отражения и исследования. Предполагается, что основными компонентами этого процесса являются: предметная область, модель предметной области, спецификация реального объекта, спецификация задачи исследования объекта, собственно модель объекта и алгоритм решения задачи его исследования в контексте модели предметной области. Предметная область – это часть реального мира (класс или совокупность классов реальных объектов), подлежащая модельному отражению с целью ее изучения под некоторым вполне определенным углом зрения, который также входит в понятие предметной области. Модель предметной области – это некоторая теория, в которой предметная область отражается в виде совокупности: базовых структурированных понятий – базовых модельных объектов и отношений между ними (законов); правил формирования моделей объектов, не сводимых к одной из базовых моделей, в виде специальных структур, образуемых из базовых понятий; методов анализа моделей, обеспечивающих получение ответов на вопросы, рассматриваемые этой теорией. Модель предметной области, как правило, включает в себя две части: описательную и функциональную. Описательная (декларативная) часть теории представляет собой совокупность базовых понятий, специфицирующих в рамках этой теории объекты предметной области и отношения между ними. Функциональная (процедурная) часть теории содержит принятые в ней правила и способы манипулирования моделями с целью решения задач. В свою очередь в описательной части теории присутствуют две составляющие: именная и собственно модельная. Именная составляющая – это принятая в теории совокупность имен базовых модельных объектов и отношений между ними, имен характеристик, посредством которых эти объекты специфицируются, и правил образования из этих имен высказываний, понятных в рамках этой теории. Модельная составляющая – это совокупность образующих теорию структурированных (математических, формально-логических, продукционных и др.) алгоритмизуемых отношений между именами именной составляющей, которые отражают собственно модельные представления этой теории. Спецификация реального объекта представляет собой описание моделируемого объекта в терминах именной составляющей модели предметной области, находящее в конечном итоге свое выражение в виде некоторой структурированной совокупности экземпляров имен, сформированной в соответствии с принятыми в этой теории правилами образования высказываний. Спецификация задачи исследования объекта представляет собой структурированное описание вопроса о каких-либо свойствах объекта в контексте его спецификации. Модель объекта в контексте модели предметной области – это некоторая структура из экземпляров базовых понятий и отношений, образуемая по спецификации объекта в соответствии с правилами формирования моделей объектов, отраженными в функциональной части теории. Алгоритм решения задачи исследования объекта – это обусловленный ее спецификацией порядок применения используемых в теории методов решения задач к модели объекта. Операционная схема процесса конкретного исследования конкретного объекта в рамках конкретной модели предметной области представляет собой следующую последовательность действий: спецификация исследуемого объекта; спецификация задачи исследования; формирование модели объекта; разработка алгоритма решения задачи; собственно решение задачи. Для поддержания этого процесса средствами новых информационных технологий, использующих идеи и методы искусственного интеллекта, можно предложить следующую схему. Модель предметной области представляется в виде трех непересекающихся подобластей, которые в дальнейшем будут называться уровнями модели предметной области. Именная часть модели предметной области образует семантический уровень, а модельная часть – формальный и алгоритмический уровни. Внутри каждого из уровней для моделирования объектов и исследования моделей используется своя система понятий, структур и операций функциональной составляющей модели предметной области. Система понятий, структур и операций одного уровня будет называться аппаратом этого уровня. В аппарат семантического уровня входят содержательные понятия о модельных объектах предметной области, характеристики, в терминах которых описываются эти объекты, а также характер их возможных взаимосвязей. Операции этого уровня включают в себя операции формирования семантических моделей конкретных объектов по их спецификациям в контексте семантического уровня модели предметной области. В роли понятий аппарата формального уровня выступают переменные, их типы и значения и т.д.; в роли структур – множества, формальные отношения разных типов и системы отношений, представляющие формальные модели, которые используются в этой предметной области; в роли операций – построение конкретных отображений, порождаемых отношениями и системами отношений, преобразование отношений и др. Для алгоритмического уровня характерны такие понятия, как данные, структуры данных, программные модули, реализующие в совокупности или по частям алгоритмы реализации отображений формального уровня и т.д. Структуры этого уровня определяют возможности и правила сопряжения модулей по данным, позволяющие формировать алгоритмы и программы решения конкретных задач, а операции представляют собой способы формирования программ путем сопряжения модулей и их привязки к полям данных конкретных модулей. Организованная так модель предметной области включает в себя несколько разнородных аппаратов моделирования и решения задач. Аппарат каждого уровня формирует и поддерживает модель объекта в контексте этого уровня. Хотя аппараты разных уровней различны, можно предложить единую схему формирования соответствующих моделей объекта. Информационным входом каждого уровня модели предметной области является спецификация моделируемого объекта или задачи его исследования в контексте этого уровня. По этой спецификации аппарат уровня формирует соответствующую модель. Процесс формирования модели осуществляется в два этапа. Сначала анализируется спецификация объекта, т.е. выделяются структуры (являющиеся базовыми для уровня), из которых состоит моделируемый объект. Следующий этап состоит в синтезе выделенных модельных структур в модель объекта. Вообще говоря, в спецификации объекта могут присутствовать некоторые умолчания, считающиеся очевидными в контексте модели предметной области. Поэтому аппарат каждого уровня должен включать в себя средства выявления таких умолчаний на этапе анализа спецификации и их восстановления в модели объекта на этапе ее синтеза, т.е. средства, обеспечивающие полноту синтезируемой модели в контексте соответствующего уровня модели предметной области. Необходимо отметить, что семантическая, формальная и алгоритмическая модель объекта каждая в своем контексте должны отражать один и тот же объект, поэтому в модели предметной области должен содержаться механизм поддержания единства всех трех видов моделей объектов. Содержание такого механизма состоит в умении осуществлять переход от модельного описания объектов средствами одного из аппаратов к аналогичным описаниям средствами аппарата других уровней. Такой механизм можно назвать переформулированием. Переформулирование, по сути дела, выступает в роли общего метода работы в многоуровневой модели предметной области, обеспечивая согласованное формирование и использование семантических, формальных и алгоритмических моделей в процессе решения задач. Для этого в многоуровневой модели предметной области помимо моделей разных уровней (семантических, формальных и алгоритмических) должны быть представлены отображения базовых структур семантического уровня в базовые структуры формального уровня и отображения базовых структур формального уровня в базовые структуры алгоритмического уровня. Такие отображения называются подсхемами переформулирования. Переформулирование в общей постановке является весьма сложной проблемой. Поэтому для ее корректного решения в многоуровневых моделях предметной области необходимо четко описать аппараты уровней модели предметной области, классы моделей, между которыми будет осуществляться переформулирование. Кроме того, необходимо указать, какие свойства моделей должны наследоваться при их переформулировании. Описанная схема приводит к следующей операционной структуре процесса моделирования объектов и решения задач их исследования. Реальный объект и задача его исследования описываются в виде спецификации в контексте семантического уровня модели предметной области. По этой спецификации аппарат семантического уровня формирует семантическую модель объекта, восстанавливая при этом все умолчания своего уровня, опущенные в спецификации. Используя подсистему переформулирования между семантическим и формальным уровнями, семантическая модель объекта переводится в спецификацию в контексте формального уровня модели предметной области. После этого аппарат формального уровня формирует формальную модель объекта. По аналогичной схеме формируется алгоритмическая модель объекта. Сначала формальная модель, используя подсхему переформулирования, переводится в спецификацию в контексте алгоритмического уровня модели предметной области, а затем аппарат алгоритмического уровня формирует алгоритмическую модель объекта. Изложенное в этом докладе отражает концептуальные взгляды авторов на пути решения проблем автоматизации моделирования в прикладных интеллектуальных системах.