Интеграция инновационных информационных технологий: теория и практика

Уфа : УГАТУ, 2010

ЪеомQjr/tQnQj

Т. 14, № 4 (39). С. 112-118

УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА

Н. И. Юсупова, Г. Р. Шахмаметова

ИНТЕГРАЦИЯ ИННОВАЦИОННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

УДК 004.9

Статья посвящена анализу научных проблем, которые обсуждались на российско-немецком семинаре «Инновационные информационные технологии: теория и практика», и перспективным разработкам в данной области. Рассматриваются вопросы, связанные с разработками в области искусственного интеллекта, экспертных систем и инженерии знаний, а также с прикладными исследованиями. Информационные технологии; интеллектуальные технологии; интеграция; прикладные исследования

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для успешного выполнения научных исследований важным является развитие научной кооперации российских ученых с международным научным сообществом, которое может сыграть ключевую роль в определении дальнейших направлений развития научных исследований в области информационных технологий. Эта задача решается с помощью разных инструментов и с использованием различных форм. Особую роль при этом играют научные конференции и семинары.

Российско-немецкий семинар «Инновационные информационные технологии: теория и практика» — научное мероприятие, на котором были представлены последние достижения участников в области теоретических исследований, связанных с инновационными информационными технологиями, а также результаты практического применения в ряде предметных областей (геоинформационных системах, безопасности данных, двигателестроении, робототехнике). К участию в семинаре были привлечены ведущие зарубежные ученые и представители научных школ факультетов информатики немецких (Карлсруэ, Дрезден, Бонн) и российских (Уфа, Москва, Екатеринбург) университетов и научных центров.

Семинар был организован Уфимским государственным авиационным техническим университетом (Россия) совместно с университетом Карлсруэ (Германия), Техническим университетом Дрездена (Германия) и в сотрудничестве с российско-немецким Обществом дружбы «Башкортостан - Германия» и Ассоциацией сотрудничества университетов «Башкортостан -Германия». В работе семинара приняли участие

Контактная информация: (347) 273-77-17

ученые из Дрезденского исследовательского центра (Forschungszentrum Dresden-Rossendorf).

Данная статья посвящена анализу научных проблем, которые обсуждались на российско-немецком семинаре «Инновационные информационные технологии: теория и практика» (Уфа, 25-31 июля 2009) и труды которого опубликованы в научном издании [1], и перспективным разработкам в данной области. В первом разделе статьи рассматриваются общие темы семинара, во второй части - вопросы, связанные с разработками в области искусственного интеллекта, экспертных систем и инженерии знаний, третья часть посвящена прикладным исследованиям.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ

Темы представленных докладов касались как теоретической информатики, так и проектирования и внедрения сложных технических систем. В работе семинара отдельное внимание было уделено вопросам, связанным с проблемно-ориентированными системами, основанными на web-технологиях; с проблемно-ориентированными системами, основанными на знаниях, в частности, на основе онтологического подхода, интеграции инструментов нечеткой логики в деревья решений, технологии экспертных систем, а также вопросам, связанным с применением искусственного интеллекта в информационных технологиях, представлением знаний, компьютингом и аппликативными вычислениями. Большинство российских участников представило доклады по результатам, которые были достигнуты в исследованиях, поддержанных грантами национальных фондов исследований. Дискуссии за круглым столом касались различных вопросов использования IT в высшем образовании и методах обучения как в российских университетах, так и в немецких. Вопросы соз-

дания образовательной системы подготовки кадров мирового уровня в области информационных технологий проектирования, производства и эксплуатации сложных технических объектов рассмотрены в [2].

Очень актуальным в современном мире является развитие связей между образованием, наукой и инновациями. На решение этой задачи и направлена инновационная образовательная программа университета, выполнение которой позволит значительно расширить взаимодействие с крупными отечественными и зарубежными техническими университетами в рамках программ академической мобильности обучающихся и преподавателей, а также путем интеграции созданного в результате реализации программы учебно-методического обеспечения образовательных программ университета в федеральную и корпоративную (с иностранными университетами) информационно-образовательную среду [2].

2. ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ, ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНЖЕНЕРИЯ ЗНАНИЙ

Круг проблем, связанных с исследованием и разработкой систем искусственного интеллекта, в частности, систем, основанных на знаниях, экспертных систем, нашел отражение в [6, 7, 10]. Одним из активно развивающихся в УГАТУ направлений научных исследований является исследование и внедрение методов искусственного интеллекта: нечеткой логики, нейронных сетей и генетических алгоритмов, мягких вычислений - с использованием новых информационных технологий.

В последнее десятилетие ведутся успешные разработки в области систем обработки информации и управления, использующих методы и средства искусственного интеллекта, в частности экспертные системы, нейронные сети, нечеткую логику и др. В [7] рассмотрено применение инструментария искусственного интеллекта в информационных технологиях, дана ретроспектива разработок, в которых решаются теоретические и практические вопросы, исследуются характерные особенности и преимущества интеллектуальных систем, которые помогают эффективно управлять сложными динамическими объектами в условиях неопределенности, с малыми ресурсами и возможностью возникновения критических ситуаций. В информационно-управляющей системе с использованием экспертной системы осуществляется оценка воздушной обстановки, вырабатывается тактика

выполнения полетного задания, контролируется рабочее состояние бортовых систем и планируются основные фазы полета на основе данных от различных внешних и бортовых информационных датчиков. Это позволяет повысить эффективность применения летательных аппаратов и увеличить безопасность полетов. Важным направлением исследований является соединение инструментария искусственного интеллекта с формальными моделями критических ситуаций. Ситуационный подход к управлению основан на обнаружении ситуаций из заранее определенного множества и принятии управленческих решений, ассоциированных с ситуациями (рис. 1). Рассматриваются также нейронные сети, нечеткая логика и генетические алгоритмы в приложениях. Полученные результаты нашли практическое применение в интеллектуальных системах обработки информации, контроля и управления летательными аппаратами, газотурбинными двигателями, автономными мобильными системами, объектами аэрокосмической техники и производственными системами, в интеллектуальных информационных системах поддержки принятия решений [7].

В [10] проведен анализ истории развития экспертных систем (ЭС) и инновационных решений на их основе. Такие традиционные ветви искусственного интеллекта, как нейронные сети и нечеткая логика, оказывают свое влияние и на эту область исследований и разработок. В последние годы отмечается развитие нейросе-тевых ЭС и ЭС с элементами нечеткой логики. Также прослеживается тенденция гибридизации ЭС с другими методами искусственного интеллекта, в том числе и с достаточно новым направлением Data Mining. С развитием Internet и сетевых технологий усиливается развитие сетевых ЭС, при этом серверы работают как базы знаний. Такие экспертные системы могут обеспечить работу большого количества пользователей, которые работают через сеть. Web-протоколы обеспечивают доступ к серверам знаний.

Медицина как объект приложений технологии экспертных систем давно интересует исследователей и разработчиков. На основе анализа требований, авторы [6] разрабатывают методологию для системы оценки и рекомендации терапии, основанной на знании, и программного обеспечения. В работе использован математический подход на основе концептуального представления и рассуждения, рассматриваются структура базы знаний и применяемые технологии и интерфейсы для терапии.

Рис. 1. Ситуационный подход к управлению

Авторами [19] приводится новая технология автоматического анализа текста. Разработанная экспертная система позволяет извлечь максимум информации из текстовых файлов, при этом обеспечивается гибкость и высокая скорость работы. Архитектурные особенности системы позволяют быстро изменять глубину обработки текста и тип извлекаемой информации путем изменения порождающих правил.

На сегодняшний день основная тенденция развития ЭС состоит в том, что у нас в стране и за рубежом ЭС становятся составной частью активно развивающейся области науки об инженерии знаний.

Вопросы онтологического анализа рассматриваются в [8, 9]. Работы научной школы проф. Ж. Овчаровой (ТУ Карлсруэ) нашли свое отражение в [8], где представлена сетевая архитектура системы программного обеспечения на основе онтологии для систем, обеспечивающих поддержку процесса разработки продукта. Для этой цели создана общая модель интегрированной сети в междисциплинарной и распределенной среде. На основе анализа информации о продукте и изучения потребностей и проблем пользователя создана экспериментальная система для применения в области распределения продукции. На первый план выступает способность к взаимодействию применяемых систем. Главным элементом спроектированной модели является архитектура системы программного обеспечения на основе онтологии, которая создает условия для возможности семантического взаимодействия в сети.

В [9] предлагается интеллектуальная система управления знаниями в организации на основе онтологического подхода. Применение онтологического подхода позволяет решать сложные проблемы, такие как координация концептуальных описаний предметной области, сделанных разными специалистами, когда различные концептуальные описания не согласуются друг с другом и имеют двойственное значение, а исследования не обеспечивают семантическую верификацию результатов.

Работа посвящена разработке моделей и методов для управления информационно-интеллектуальными ресурсами организации. Предлагается концепция по управлению интеллектуальным капиталом в информационно-емких организациях, отличающаяся тем, что она основана на построении онтологической базы знаний информационно-интеллектуальных ресурсов, на структурировании знаний, представленных в информационно-интеллектуальных ресурсах организации, и их представлении в онтологической базе знаний для решения задач поддержки принятия решений и управления взаимодействием при выполнении проектов оказания нематериальных услуг. Метод структурирования информационно-интеллектуальных ресурсов организации в онтологической базе знаний основан на построении совокупности взаимосвязанных когнитивных моделей специального вида - конфайнмент-моделей (рис. 2), сочетании методов системного анализа и синтеза, вывода по аналогии и выявления системных триад, а также использовании специальной процедуры мозгового штурма для обеспечения эф-

фективного взаимодействия аналитиков и экспертов. Разработанные с применением предложенных моделей и методов онтологические базы знаний применяются в управлении информационно-интеллектуальными ресурсами в ряде образовательных и научных организаций, предприятий индустрии здоровья и красоты, а также организаций, занимающихся оффшорной разработкой ПО и оказанием ИТ-услуг. Практическое применение предложенных моделей и методов показало повышение эффективности построения онтологических баз знаний информационно-интеллектуальных ресурсов, выражающееся в снижении временных затрат, необходимых для взаимодействия аналитиков с экспертами на 30-50%, а также упрощении структуры получаемых моделей в сравнении с традиционными методами построения баз знаний на 40-80%. Использование предлагаемого метода предоставляет удобный инструментарий для эффективного управления интеллектуальным капиталом информационно-емких организаций. Целью совместных исследований ТУ Дрездена и УГАТУ является разработка интеллектуальных методов вычислений, которые решают проблему принятия многокритериального решения по оценке потребителя с помощью субъективных и неточных данных, и их применение к дереву решений [5]. Основное внимание уделено обучающему модулю, чья роль состоит в представлении знаний, необходимых для принятия решений. Для этой цели использовались методы фазификации и дефазификации. Также описаны процесс принятия многокритериального решения и его нечеткая агрегация. Авторы рассматривают вопрос интеграции неопределенной информации в оценочные методы для оценки потребителя (рис. 3). В этом случае ин-

формация о потребителях представляется лингвистическими переменными, которые происходят из теории нечетких множеств. Характеристика потребителя в связи с определенной лингвистической переменной, например «прибыльность», выражается значением функции принадлежности к так называемому нечеткому множеству (или терму), например «высокая прибыльность». Для агрегации различных лингвистических переменных используется оценочная модель. Эта модель позволяет оценивать потребителя по интервальной шкале и становится все более популярной в маркетинге и менеджменте. Оценочные модели представляют взвешенную сумму определенных характеристик. Построение оценочной модели начинается с определения индикаторов, которые наиболее точно отражают соответствующие признаки потребителя.

Проблемы, касающиеся современных вычислений, нашли свое отражение в [3, 4]. Работа [3] посвящена вопросу поиска технических особенностей вычислений с помощью объектов. Их взаимодействие рассматривается в аппликатив-ной среде, которая позволяет уточнять внутреннюю структуру обычных операций и, следовательно, понимать их свойства.

В статье рассматривается вопрос выбора исходных постоянных объектов, называемых комбинаторами. Эти начальные элементы используются как главные «строительные блоки», вступающие в аппликативной среде во взаимодействие друг с другом. В результате взаимодействия образуются структуры, дающие представительские ряды (совокупности) обычных операторов и встроенных вычислительных систем.

Рис. 3. Базовая структура задачи преобразования с двумя входами, одним выходом и тремя правилами преобразования

В [4] аппликативные вычислительные системы рассматриваются как основа построения множеств моделирующих бизнес-игр. Нестандартные подходы к разработке и реализации методов концептуального описания предполагают разработку инструментов поддержки описания предметной области в соответствии с используемыми теоретическими методами. В институте современного образования «ЮрИнфоР-МГУ» разработан прототип системы определения семантически ориентированных данных на основе аппликативных вычислительных систем.

3. ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Крупные исследовательские центры, такие как Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, обеспечивают научную рабочую среду для сотрудников, гостей и студентов со всего мира. Всем этим пользователям необходим доступ к локальному и удаленному научному оборудованию, устройствам и коммуникационным и информационным инфраструктурам. Сегодня почти все действующие проекты используют современные WEB и GRID технологии, пересекающие границы и континенты. Управление такой динамичной средой - задача сложная. В [15] раскрываются особенности системы управления, а также некоторые аспекты ее реализации.

Верификация модели и объекта с помощью OCL, разработанного в техническом университете Дрездена, рассмотрена в [16]. OCL - это формальный язык, стандартизированный ГУО (группа по управлению объектами), который позволяет разработать спецификацию ограничений на моделях, основанных на MOF (Meta Object Facility). После 10 лет исследований в области использования формальных методов в технике программного обеспечения OCL был высоко оценен промышленниками и продавцами инструментальных средств. OCL может применяться как на уровне метамодели (M2), так и на уровне модели (M1). На уровне мета-модели OCL в основном используется для спецификации правил (WFR), предназначенных для моделей. Первоначально OCL использовался в унифицированном языке моделирования. Сегодня он является признанным способом определять семантику других метамоделей, основанных на MOF (Meta Object Facility), и языков, отражающих специфику предметной области. На уровне модели OCL помогает разработать спецификацию ограничений (инварианты, а также предусловия и постусловия) на объектах. В [16] представлены случаи применения OCL в контексте Дрезденского инструментария OCL.

Вопросы ИТ в робототехнике нашли свое отражение в [11, 12]. Интерактивное управление гибкой системой позиционирования 3D рассматривается в [11]. Разработан и экспериментально исследован алгоритм эффективного управления системами позиционирования 3D с различным дополнительно прикрепленным грузом. Такие системы позиционирования могут приводиться в действие как человеком, так и автономно двигаться по данной траектории. Их главная проблема — это большие различия между расчетной и реальной позицией и ориентацией TCP и различные временные константы оси. Эти проблемы решены для передвижений с ручным управлением с использованием специальной обратной связи и алгоритмов управления. Система управления была выполнена на RTLinux/Linux. В [12] описаны технические методы и модели для анализа осязательных свойств робота, принципы осязательного анализа и рассмотрены проблемы, возникающие в процессе анализа. Предложена структура системы для преодоления типичных проблем технического и осязательного анализа. Наряду с основными принципами этой структуры дано описание компонентов такой системы и их исполнение. Представлены некоторые экспериментальные результаты и перспективы дальнейшей работы.

В [13] рассмотрена необходимость создания корпоративной ГИС для компаний и организаций для управления географически разбросанными объектами. Описан опыт разработки ГИС учеными УГАТУ, которые проводят исследования по разработке и осуществлению корпоративной ГИС для компаний и организаций федерального, регионального, территориального и местного уровней. Также рассмотрены направления развития корпоративной ГИС.

Применение технологии нейронных сетей в проектировании систем управления газотурбинных двигателей (ГТД) приведено в [14], где рассмотрены алгоритмы проектирования современной системы управления с нейронными сетями для газотурбинных двигателей, дается анализ особенностей построения алгоритмов управления и обеспечения отказоустойчивости с использованием нейронных сетей, рассмотрен подход к реализации аппаратного обеспечения модели нейронных сетей ГТД с двумя осями на основе Altera PLD.

Вопросы, касающиеся проблем экономического характера, можно найти в работах [17, 18, 20]. В [18] рассмотрены методы оценки инновационного потенциала предприятия в условиях переходной экономики. Авторы [17] представи-

ли функциональную схему управления процессом развития социальной инфраструктуры, где в качестве управляющего индекса выступает нормативный показатель кадровых изменений. В [20] рассмотрены вопросы применения интеллектуального анализа данных для решения задач управления и прогнозирования экономических показателей.

Проблемы защиты информации нашли свое отражение в [21]. Атаки, связанные с различными видами инжекций, предполагают введение посторонних команд или данных во входные параметры операционной системы с целью изменить ход ее работы и получить доступ к секретной информации. Подобного рода атаки широко распространены в Интернете. Сегодня из-за широкого применения XML-технологий особый интерес представляют исследования инжекций, характерных для данной области.

ВЫВОДЫ

Российско-немецкий семинар «Innovation Information Technologies: Theory and Practice» можно рассматривать как завершенный проект 2009 года. Представленные на семинаре доклады и последующие обсуждения дали участникам семинара глубокое понимание материала и раскрыли перспективу большого количества возможных совместных проектов между российскими и немецкими учеными в области интеграции инновационных информационных технологий, предназначенных для:

• интеллектуальных систем, позволяющих эффективно обрабатывать информацию и управлять сложными системами;

• развития экспертных систем и получения новых решений на основе их технологий;

• применения семантических информационных структур в технических системах;

• разработки систем управления жизненным циклом продукции;

• интеграции виртуального мира в геоинформационных системах и при моделировании технологических процессов в нефтегазовой отрасли;

• интеграции процессов и систем;

• интеллектуального анализа данных и технологий визуализации.

Эти темы планируется обсудить на последующих семинарах в процессе двусторонних обсуждений участников. Прямые контакты, которые были установлены участниками во время семинара, упростят коммуникацию между исследователями России и Германии. Таким обра-

зом, создаются условия для более жизнеспособных и устойчивых совместных проектов. В 2010 году стартуют два новых проекта по организации немецко-российских семинаров на немецкой стороне. Актуальная тематика интересна в научном плане, так как обсуждения фундаментальных идей откроют перспективы приложений во многих областях информационных технологий и в различных отраслях народного хозяйства.

Мероприятие было поддержано в рамках программ сотрудничества между Российским фондом фундаментальных исследований -РФФИ и Немецким исследовательским сообществом - DFG ( грант 09-07-91360-ННШ_г).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Proceedings of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. 98 p.

2. Guzairov M. B., Badamshin R. A. Training of personnel in the field of information technologies in design, production and operation of complex technical objects // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 1-4.

3. Wolfengagen V. E. Quarks, atoms, molecules of computing // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 5-6.

4. Ismailova L. Yu., Kosikov S. V. Applicative computing systems as a basis of construction of sets of modelling business games // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 7.

5. Hilbert A., Bogdanova D. R. Integration of uncertain information into decision trees // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 8-12.

6. Drzymajllo B., Guhlemann St., Iwer L., Petersohn U. A knowledge based model for evaluation and recommendation of medicinal therapies // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 13-19.

7. Yusupova N. I. Use of tools of artificial intelligence in information technologies // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 20-24.

8. Bittel V., Awad R., Ovtcharova J. Analysis and semantic structuring of product information with the example - distribution // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 25-30.

9. Popov D. V. Intelligence system for knowledge management on the basis of the ontological approach //

Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 31-37.

10. Shakhmametova G. R. Innovative decisions on the basis of expert systems // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 38-43.

11. Woern H., Tchouchenkov I. Interactive control of a pliable 3D-rack // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 44-48.

12. Braun D., Woern H. Technical methods and models for the analysis of haptic properties // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 49-56.

13. Pavlov S. V., Khristodulo O. I. The experience of creation and prospects of development of corporate GIS // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 57-63.

14. Vasilyev V. I., Idrisov I. L, Makarov A. S. Neural network technologies of aeroengine control systems design // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 72-77.

15. Konrad U., Schmeisser N. Identity management in large research facilities // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 78-80.

16. Demuth B., Wilke C. Model and object verification by using Dresden OCL // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 81.

17. Yusupova N. I., Lackman I. A., Volik E. O. Scheme of building a block of strategies of social infrastructure development of industrial enterprises // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 82-83.

18. Pashin S. T., Rodionova L. N. Evaluation of innovation potential in the enterprise development strat-

egy // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 84-86.

19. Mavlutov R. R., Rudnev N. A. Technology of the automatic analysis of the text // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 87-89.

20. Ivanova E. I., Yusupova N. I., Smeta-nina O. N., Verchoturova O. M. Intelligent data analysis for control of economic indicators // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 90-92.

21. Vasilyev V. I., Gontcharova Yu. A., Miro-

nov K. V., Sagdatov A. S. On one approach to XPath-injections at attacks on Web-server // Proc. of the Russian-German Workshop "Innovation Information Technologies: Theory and Practice". Ufa, Russia, 2009. P. 93-94.

ОБ АВТОРАХ

Юсупова Нафиса Исламовна,

проф., зав. каф. выч. мат. и киб., декан ФИРТ. Дипл. радиофизик (Воронежск. гос. ун-т, 1975). Д-р техн. наук по упр-ю в техн. сист. (УГАТУ, 1998). Иссл. в обл. критич. сит. упр-я, информатики.

Шахмаметова Гюзель Ради-ковна, доц. той же каф. Дипл. инженер по инф. системам (УАИ, 1987). Канд. техн. наук (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. интел. методов поиска траекторий многозвен. манипуляторов, систем искусств. интеллекта.