Средства формализации целей и проблем сложных систем производственной сферы

УДК 681.51

07. М. Лукьянова, Л. Н. Федорченко

СРЕДСТВА ФОРМАЛИЗАЦИИ ЦЕЛЕЙ И ПРОБЛЕМ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СФЕРЫ

Статья посвящена формализации формулировок целей и проблем производственных организационно-техническихкомплексов, которая способствует обоснованию системности решений по данным объектам.

Ключевые слова: производственная сфера, организационно-технический комплекс, модель формулировки проблемы/цели, формализованный язык проблем/целей.

L. М. Lukianova, L. N. Fedorchenko

THE MEANS OF GOALS AND PROBLEMS FORMALIZATIONIN INDUSTRIAL

COMPLEXES

The means of goal and problem formalization in industrial organization-and-technical complexes are studied. Using the means is conduced to form system of décisions at problem situations.

Keywords: industry, organizational-and-technical complex, model of problem/goal, the formalized language of problems/goals.

1. Постановка задачи

Формирование решений по организационно-техническим комплексам производственной сферы (далее комплексы) сопряжено с трудностями, обусловленными сложностью данных объектов и недостаточной познаваемостью их свойств и поведения. Для лиц, принимающих решения (ЛПР), трудности возрастают в случае проблемных ситуаций, возникающих в комплексах и окружающей среде [1]. Неопределенность знаний ЛПР о данных объектах и большой вес плохо формализуемых субъективных факторов в методах коллективного формирования системы решений являются основными причинами позднего выявления несистемности решений по комплексам - во время и после их исполнения. С учетом фондоёмкости данных систем, создаваемой дорогостоящими техническими подсистемами, несвоевременная корректировка решений, не удовлетворяющих критерию системности, влечет издержки, ведет к частичному достижению целей и снижает эффективность функционирования комплексов [2, 3].

Типичными представителями данного подкласса организационных систем являются рыбохозяйственные комплексы (РХК). Большая фондоемкость РХК создается рыбопромысловыми, транспортными, специализированными судами, а непредсказуемый спрос на рыбопродукцию и изменчивость состояний Мирового океана (сырьевой базы РХК) и увеличивают неопределенность знаний о РХК.

В работе [4] показано, что в условиях неопределенности вес субъективных моделей и неформализованных процедур особенно велик на начальных этапах процесса формирования решений по комплексу - на этапах анализа целей и проблем (под целью производственного комплекса понимается предвосхищение представляющего ценность результата его функционирования, под проблемой - противоречие между существующим и представляющим ценность будущим результатом), а системность целей является необходимым (однако не достаточным) условием системности решений.

С учетом некорректности результатов целеполагания и анализа целей, осуществляемых неформальными методами, обусловленности субъективных по своему характеру целей объективными проблемами и гипотезы о формулировании первых путем «отрицания» вторых [5], а также выявленной на большом корпусе формулировок соответствующих проблем и целей1 корреляции их семантики, на этой же представительной выборке подтверждена возможность объективирования целей путем «отрицания» проблем.

Неформализованность средств анализа целей, приводящая к противоречивости и неполноте его результатов, делает актуальным в качестве первого шага решения поставленной задачи исследование моделей формулировок целей и проблем и построение на их основе

1 Представительную выборку составили свыше пятисот проблем РХК и полутора тысяч целей комплексных межотраслевых направлений, покрывающих все виды деятельности данных объектов.

соответствующих формализованных языков.

2. Выбор класса языка целей/проблем

Вследствие ориентированности на небольшие замкнутые миры и отсутствия прагматического и семантического компонентов формальные языки не позволяют решить задачу описания сложных целей/проблем комплексов.

Указанные недостатки частично преодолеваются в частично-формальных (формализованных) языках. Но в таких языках, как правило, фиксированы синтаксические структуры (и модели), которые для одних формулировок целей/проблем избыточны, а для других недостаточны. Кроме того, как показал анализ, семантический компонент данных языков не достаточно развит для адекватного описания проблем и целей, а прагматический - вовсе не реализован. Поэтому, в них не различаются основные и контекстные части формулировок целей/проблем. Все эго делает целесообразной разработку формализованных языков целей (ФЯЦ) и проблем (ФЯП), базирующихся на более совершенных моделях их формулировок.

При разработке прагматического компонента ФЯЦ/ФЯП мы основывались на том, что целеполагание (образование и формулирование целей) и формулирование проблем -неформальные процедуры. В комплексах они могут осуществляться только ЛПР. Однако контроль прагматики пар <цель-подцель>, <проблема-подпроблема>, реализуемый на основе базовых знаний о комплексе, является формальной процедурой анализа целей и проблем, которую может осуществлять соответствующий анализатор.

При разработке семантического компонента ФЯЦ/ФЯП учитывалась необходимость: формализованного различения осмысленных целей/проблем среди синтаксически корректных, интерпретации отдельных знаков и их совокупностей в описаниях целей/проблем, выделения в последних целевых/проблемных и контекстных частей. Все эго с учетом интеллектуального характера процессов формулирования проблем и целеполагания подтверждает ведущую роль прагматического и семантического компонентов ФЯП/ФЯЦ по отношению к синтаксическому и делает целесообразной целостную (не аддитивную) прагматико-семантико-синтаксическую формализацию цели/проблемы.

Такая целостная формализация цели/проблемы вызывает необходимость разработки ФЯЦ/ФЯП как ограниченного естественного языка (ЕЯ), относимого Н. Хомским к классу контекстнозависимых (КЗ) языков [6]. С учетом известных трудностей разбора соответствующих описаний и современной классификации формальных языков и грамматик, КЗ-языки стремятся описывать обобщенными контекстно-свободными, атрибутными, двухуровневыми грамматиками типа аффиксных или грамматик Ван Вейнгаардена [7]. Но они реализуют лишь синтаксический компонент языков и статическую семантику языка[13] Этот факт и необходимость экспликации при анализе цели/проблемы, ее логической структуры позволило сделать заключение, о том, что ФЯЦ/ФЯП должен обеспечивать представление знаний о цели/проблеме.

В этой связи были проанализированы получившие распространение и подходящие для формализованного анализа целей/проблем классы языков представления знаний.

Как показал анализ указанной выше выборки формулировок целей/проблем, требованию целостной прагматико-семангико-синтаксической формализации в наибольшей степени удовлетворяют логические языки и модели, продукционные системы, семантические сети и сети фреймов. Вместе с тем логические языки при мощном механизме вывода обладают небольшой выразительной силой. Это затрудняет представление знаний о проблеме/цели и придает громоздкость их описаниям.

Выразительная мощность продукционных систем (при относительно простой реализации вывода) также недостаточна для представления знаний о проблеме/цели. Кроме того, для таких систем характерны трудности выработки стратегий управления выводом.

В сравнении с рассмотренными средствами семантические сети обладают лучшими выразительными возможностями, но число разноименных отношений, используемых при описании и анализе проблем/целей, требует большого числа процедур их обработки, что существенно усложняет реализацию сети.

Анализ результатов описания проблем/целей с помощью отмеченных средств показал эффективность (в том числе по критерию восприятия) «матрешечной» структуры фреймовых представлений [8]. Вместе с тем изменчивость проблем/целей в процессе функционирования

комплекса и разнородность частей их формулировок требуют разработки специфических фреймовых моделей с возможностями: настройки на предметную область и проблемную ситуацию; различения проблемных/целевых или контекстных частей формулировок; учета некоторых видов семантических отношений внутри слотов фрейма и между ними.

Теоретическим обоснованием фреймовых моделей цели и проблемы и соответствующих языков послужили следующие результаты лингвистических и логических исследований:

• язык цели [9] и семангико-синтаксические схемы формулировок целей в русском языке [10];

• универсальный семантический код [11], утилитарная положительная/отрицательная ценность [12], выражающая прагматическою связь проблем и целей [5];

• двухуровневые грамматики [7] и методы регуляризации формальных грамматик [13].

3. Фреймовая модель цели/проблемы

На русском языке цели производственных комплексов описываются инфинитивными предложениями [10], реализующими одну из двух структурных схем: минимальную - Inf или

расширенную - Inf <а>, где <а>- расширение.

В целях комплексов намечается осуществление:

• средства («создать оборудование для производства пищевой продукции»), В этом случае ЕЯ-формулировка цели обычно включает в качестве контекстной части выделенный курсивом результат, реализуемый с помощью этого средства;

• результата («разработать новые виды копченой продукции, используя линию АЛ-10 на основе печи конвейерного типа»). В этом случае ЕЯ-формулировка цели обычно включает в качестве контекстной части выделенные курсивом средства осуществления результата

Поэтому в формулировках целей присутствуют акции (действия), обычно обозначаемые глаголом в инфинитивной форме («разработать», «создать» и т.д.) или отглагольным существительным («для производства» и т.д.).

Это послужило обоснованием для выбора деятельностной модели цели «средства-результат» и использованию универсального семантического кода (УСК) [11] как информационного языка, кодирующего универсальную функциональную семантику языковых знаков, характеризующих действие. Путем расширения/сужения состава функциональных компонентов модель «средства-результат» легко настраивается на предметную область.

Обоснованием расширения/сужения фрейма «средства-результат» послужило следующее. Под «средствами» достижения цели и получаемыми с их помощью «результатами» в производственном комплексе естественно понимать ролевые (функционально различимые) компоненты деятельности. Теория УСК обосновывает систему синтаксических структур уровня универсальной функциональной семантики. В качестве базовой прагматико-семантико-синтаксической структуры модели цели была выбрана установленная данной теорией ядерная триада «агенс-акция-объект» с определенными в [11] возможностями детализации ее компонентов.

Для решения поставленной задачи универсальные семантико-синтаксические структуры потребовали конкретизации. Анализ моделей действия, приведенных в [8], позволил определить семантико-синтаксический репертуар ролей фрейма цели производственного комплекса:

«агенс - инструмент - способ - условие - объект».

Учитывая, что цель является моделью будущего результата или средства его осуществления, используемый в процессе целедостижения слот «акция» фрейма «средства - результат», при целеполагании заменяется на слот «способ». Более же широкую трактовку данного слота дает понятие «технология».

Целесообразно заменить и роль «инструмент» на более общую для производственной сферы роль «техника». Что касается условий, обычно выделяют условия целеобразования и целедостижения. Одно среди последних, - «место» целедостижения, включено в структуру фрейма цели.

Таким образом, с учетом приведенного в следующем разделе оператора гелевой модальности, обесгБчивающего различш между основной и контекстной частей формулировки цели, определеш опорная прагматико-семангико-сингаксическая структура представления знаний о цзли комплекса: «агеж-техника-технология-месго-обьекг», которая шзволяет элиминировать функциональную (ролевую) многозначность в представлениях грлей.

Поскольку деятельность по получению конеч ного результата комплекса детализируется последовательностью п действий по получению промежуточных результатов, в соответствии с теорией УСК допустимо расширенш модели «средства-результат». Расширение фрейма цели в ширину состоит в левостороннем п -наращивании его опорной структуры, где п - «агеш-техника-технология». При этом развертывается «горизонтальная» семантика фрейма Расширение фрейма цели в глубину реализуется вложенжм опорных структур в отдельные его слоты При этом осуществляется развертывание «вертикальной» семантики фрейма

Таким образом, построена фреймовая модель цели «средства-результат», иначе предложение-цель:

«uri >[[<urJ >]...] >2

где

uri( urj )~ номер или имя /' -й (ij -й) роли, п - число ролей, к ФI; парные угловые скобки-разделители, причём, внешние скобки выделяют предложение-цель, а внутренние разделяют его ролевые фразы.

Ограничив для простоты изложения число ролей в предложении-цели, отражающем минимальную ролевую дифференциацию компонентов операции «переработка» в РХК п = 7, и определив соответствующие им имена, имеем пример фреймовой модели цели:

«1 - агенс ><2 - технология управления>

<3 - техника><4 - исходный объект>

<5 - технология производства>

<6 - место> <7 - конечный объект»

Аналогично построена фреймовая модель проблемы производственного комплекса, или

предложение-проблема.

4. Модель слота фрейма цели/проблемы

В результате эмпирического исследования формулировок целей/проблем производственных комплексов была определена общая модель слота фрейма цели/проблемы:

роль_базовый предмет [{_вид базового свойства {_базовое свойство}]

где - разделитель, а фигурные скобки обозначают множественность заключенной в них части описания. Здесь квадратные скобки обозначают возможно пустой объект.

При этом под базовым предметом (БП) понимается простой (неделимый) предмет (денотат), определяемый лишь своим названием. Конкретизация свойств БП превращает его в производный предмет (1111). Под базовым свойством (БС) понимается сторона 1111, обусловливающая его отличие или сходство с другими 1111. Для обеспечения адекватного описания и анализа целей/проблем выделены следующие виды БС

(в скобках даны обозначения видов):

характеристические (СХ); данный вид свойств замещается БС семантической категорией, указывающей на признак 1111 не прямо, а через отношение к другому предмету. Примером БС является (выделено курсивом): судоремонтная инфраструктура;

функциональные (СФ); данный вид свойств замещается БС как семантической категорией, указывающей на функцию ПП. Примеры соответствующих БС: консервирование, траление;

именное (СИ); данный вид свойств замещается БС как семантической категорией, персонифицирующей 1111;

физическое (СЗ); данный вид свойств замещается БС как семантической категорией, создающей возможность измерения БС в порядковой или более «сильной» шкале. Примеры соответствующих БС: средний возраст, уровень профессиональной подготовки, загрузка инфраструктуры.

Для более глубокого описания физических свойств дополнительно введены: единицы измерения (М) и значение (3) СЗ-свойства. Примеры Ми V (выделены курсивом): средний возраст

лет 50.

2 Квадратные скобки здесь и далее показывают факультативность или подразу меваемость заключенной в нихчасти.

45

Таким образом, упрощенная базовая модель слота фрейма цели/проблемы имеет вид:

и" БП или ип БП [{ВС*БС}][{ СЗЪСМЗ}], где ип - роль БП или 1111, ВСг - вид свойства, ВСге {СХ, СФ, СИ, СЗ}, к —1,2.3.

Базовая модель слота может быть расширена путем введения других видов свойств и помечена (вся или частично) оператором целевой G или проблемной Н модальности отражающим основную целевую или проблемную, утилитарно положительную или отрицательную ценность соответственно [12].

5. Грамматикам формализованный язык проблем/целей

Известно, что формальный язык относят к типу X, если существует хотя бы одна грамматика соответствующего типа, которая порождает данный язык При разработке языка, в распознавании цепочек которого возникают трудности разбора, естественно стремление без потери его мощности перевести реализуемый язык из класса X в класс Y, например, из класса КЗ-языков в класс КС-языков, для которых отработаны алгоритмы разбора. Перевод осуществляется посредством эквивалентных преобразований грамматики исходного языка [13].

В данном контексте на основе предложенных фреймов проблемы и цели были разработаны соответствующие КЗ-грамматики с частичным учетом прагматики и семантики проблем и целей и осуществлен перевод их в эквивалентные двухуровневые КС-грамматики. Первый уровень определяет структуру предложения-проблемы/предложения-цели, а второй - структуру его ролевой фразы.

В качестве примера приведем грамматику и определяемый ею формализованный язык проблем. Грамматику второго уровня Gmic (для ролевой фразы предложения-проблемы) зададим так:

^mic ^ ^'Гпис ^ Глпис (^^mic> ^>mic> ( ’mic ^ ‘

где

VTmic - множество терминальных знаков; VTmic = {судовладелец, порты,...};

vx>mc- множество нетерминальных знаков, VNmic = {Onmic, ...}; ОПпис - цель грамматики; РШс -множество продукций;

Сmic- множество семантических услов ий при выполнении продукции,

С mic = {CocTy’CocTp’CATy’CATp’C0oTy’CooTp’CpiMv} > ГДе

( 'осТу>сосТр, САТу’САТр’СооТг C00TP’Cp,Mv Q^-множесгво семантических условий по паре «агенс-место», «агенс-свойство», ..., «базовое свойство-единицы измерения_значение» соответственно.

Грамматику первого уровня Gmac (для предложения-проблемы) зададим так:

^тас ^ ^'утас ^'лтас (^^тис ^тас ( 'тас ^ ‘

где VTmac - множество терминальных знаков; VTmac = {<un - фраза,...}, VNmac - множество нетерминальных знаков; ОПтас - цель грамматики; Ртас - множество продукций; Стас -множество семантических условий перехода после выполнения продукции,

('тас ={CTcTa’CTaTo’CTcTaTo} > ГДе ( 'lcla-( 'lalo-( 'lcfalo ~ МНОЖвСТВО УСЛОВИЙ Перехода.

Формализованный язык проблем зададим счетным множеством принадлежащих ему цепочек знаков ргЪи формируемых с помощью построенной выше двухуровневой грамматики G

mac ^ ^mic

фяп((;)= {prbj}.

Пример грамматического разбора двух формулировок проблем, заимствованный из [14] проиллюстрирован на рисунке (в скобках приведены семантические условия перехода).

Для обеспечения возможности настройки на предметную область грамматика ФЯП дополняется множеством функций Т изменения своего базиса. Дополнив грамматику (3) множеством 4JITljn, получаем грамматику Gminl:

(’min] (’min ’^min ^ ' ГДе ^min ~ ^~Tmin ^N min ^Cmin}? ^Tmin^Nmin^_ ^Cmin “ФУНКЦИИ

Pmin Pmin

изменения терминальных, нетерминальных знаков, правил вывода и семантических условий соответственно.

Таким же образом, т.е. путем дополнения грамматики (4) множеством Ч*, получаем грамматику (;т|п,.

оп

I

Ое — финансовые средства Рп — количество V — недостаток

с>п >

Ос — российские судовладельцы А — импорт Оп — услуги Оу — иностранные порты

Рис.1. Пример разбора формализованного описания проблемы Заключение

Разработаны специфические фреймовые модели проблемы и цели производственного комплекса. На их основе построены двухуровневые формальные грамматики с частичным учетом прагматики, или обобщенной семантики (имена ролей, видов свойств и отношений: целевой и проблемной модальностей и фразовой прагматической согласованности), а также лексической семантики (базовые предмет и свойство, а для физических свойств - единицы измерения и значения) проблемы/цели. Рассмотрены задаваемые такими грамматиками формализованные языки проблем и целей. Указанные грамматики создают возможность создания эффективных анализаторов цепочек знаков, принадлежащих языкам, а сами языки позволяют адекватно описывать проблемы и цели комплексов.

Использование предложенных средств формализации способствует корректному формулированию, анализу и синтезу проблем и целей производственных комплексов, что является важнейшим условием обеспечения системности решений по данным объектам.

Литература

1. Лукьянова JI. М. Трудности формирования системы решений по жзяйственному комплексу и основной путь их преодоления//Балтийский экономический журнал. 2010. №1(3). С. 84-91.

2. Исследование технологий анализа систем. Анализ проблемных ситуаций и путей их преодоления: отчет о НИР / КГТУ; рук. JI. М. Лукьянова. Калининград, 2000. 139 с. Деп.: (ВНТИЦентр: №ГР 01.20.00 06420; инв. №02.20.00 04401).

3. Исследование технологий анализа систем. Проблемный анализ рыбохозяйственного комплекса РФ: отчет о НИР / КГТУ; рук. Л. М. Лукьянова. Калининград, 2009. 56 с. Деп.: (ВНТИЦентр: №ГР 01200006420; инв. №02200903520).

4. Лукьянова Л. М. Результаты развития методологии формирования решений по организационно-техническим комплексам //Известия КГТУ. 2010. №19. С. 36-44.

5. Тамбовцев В. Л. Логическая структура прогнозирования и целеполагания //Целевая стадия планирования и проблемы принятия социально-экономических решений. М.: ЦЭМИ АН СССР, 1972. С. 119-131.

6. Хомский Н. Формальные свойства грамматик / Кибернетич. сб. Новая серия. Вып. 6. М.: Мир, 1969. С. 65-98.

7. Wijngaarden A. van. The generative power of two-level grammars // Automata, Tanguages and Programming, pp. 9-16; Tecture Notes // Computer Science. №14,/ ed. J. Гоескх, Springer-Verlag, Berlin, 1974.

47

8. Минский М. Фреймы для представления знаний. М.: Энергия, 1979. 192 с.

9. Логический анализ языка. Избранное. 1988-1995 / редкол.:: Н. Д. Арутюнова, Н- Ф. Спиридонова; РАН: Ин-тязыкознания. М.: Индрик, 2003. 696с.

10. Современный русский язык: учебник для филол. спец. вузов / В.А. Белошапкова, Е.А. Брызгунова, Е.А. Земская и др. 3-е изд., испр. и доп. М.: Азбуковник, 1999. 928 с.

11. Мартынов В. В. УСК - язык представления знаний и эвристического поиска. М.: Науч. совет по комплексной проблеме «Кибернетика», 1981. 87 с.

12. Ивин А. А. Основания логики оценок. М.: Изд-во МГУ, 1970. 230 с.

13. Федорченко Л. Н. Книга - Регуляризация юнтекстно-свободных грамматик. Saarbrücken, Germany: ГАР LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Dudweiler Landstr. 99,66123, 2011. 180 c.

14. Зинько Д. П., Лукьянова Л. М. Формализованный язык проблем организационно-технических комплексов // Вестник Калининградской академии информациологии МАИ: сб. науч. трудов. Калининград: КГТУ, 2011. С. 92-103.

Лукьянова Людмила Михайловна - д-р техн. наук, проф. каф. систем управления и вычислительной техники ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», академик Международной академии информатизации (МАИ), тел. +7 (4012) 995-942. E-mail: lim llm@mail.ru

Федорченко Людмила Николаевна - канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной информатики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН). Тел. +7 (812) 328-1919. E-mail: LNF@iias.spb.su

I.uh итого Lyudmila Mikhailovna - doctor of technical science, professor of computer science department in FSSO HPS «Kaliningrad State Technical University».

Fedarchetiko Ludmila Nikolaevna - Senior Research Associate, PhD, St.Petersburg Institute for Informatics and Automation of the Russian Academy of Sciences (SPIIRAS):

E-mail: LNF@iias.spb.su.