CC BY
57
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЕТЕНЦИЙ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛИ НЕПРЕРЫВНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
В. М. Трембач, к. т. н. заместитель заведующего кафедрой «Прикладная информатика в экономике» Тел. (495) 442-80-98, e-mail: trembach@yandex.ru МЭСИ www.mesi.ru
The issues of creating intelligent information systems, which set up the competence for effective achieving the objectives of the organization of continuous education professionals for a long period of professional activity are considered. To improve the quality and conformity of competencies to the modern requirements formal approaches to the formation and analysis of descriptions of competencies are used in the form of Petri nets. To improve the quality and conformity of competencies to modern requirements formal approaches to the formation and analysis of the description of competencies are used in the form of Petri nets.
Рассматриваются вопросы создания интеллектуальных информационных систем формирования компетенций для эффективного решения задач организации непрерывного образования специалистов на протяжении длительного периода профессиональной деятельности. Для повышения качества и обеспечения соответствия компетенций современным требованиям используются формальные подходы, в виде сетей Петри, к формированию и анализу описаний компетенций.
Ключевые слова: компетенция; модель компетенции; интегрированный метод представления знаний; непрерывное образование; сети Петри.
Key words: competencies, model of competencies, integrated methods of knowledge presentation, continuous education, Petri nets.
Введение
В современной экономике все больше внимания уделяется ее инновационному развитию.
Для широкого применения новейших технологий повышаются требования к образованию специалистов, где доминирующим становится компетентностный подход, всесторонне отражающий подготовку обучающихся [1]. Компетентностный подход позволяет в рамках профессионального образования строить модели компетенций для каждого этапа деятельности специалистов и этим обеспечивать обучающимся непрерывность расширения и углубления компетенций
[2, 3].
Для поступательного перехода с одного уровня на другой, более высокий, требуется проведение множества мероприятий, среди которых можно выделить тестирование обучающихся, формирование траекторий обучения, актуализацию базы учебных объектов, базы знаний и другие [4-7].
При компетентностном подходе важно учитывать требования к инновационной деятельности, особенности обучающихся. С этой целью формируются разнообразные образовательные программы для различных категорий обучающихся по различным видам и формам обучения в виде модели непрерывного образования [8].
Адаптивность образовательного процесса к учащемуся обуславливает необходимость применения интеллектуальных информационных систем (ИИС), инструментария для их создания. Использование ИИС связано с тем, что они, имея в своем составе базу знаний (БЗ), способны формировать гибкую траекторию обучения, а обычные информационные системы формируют только жесткие траектории обучения. Это одно из объяснений того, что число приложений, использующих БЗ для решения задач образовательной деятельности, растет. Одним из таких приложений является ИИС формирования компетенций в рамках реализации непрерывного образования. Важным является наличие методики и инструментария, ориентированных на создание
ИИС с корректно составленными базами знаний. Выбор методики и инструментария для создания баз знаний интеллектуальных систем во многом определяется методами представления знаний, которых сейчас разработано много, но нет метода описания предметных областей для задач реальной сложности, к которым относятся задачи поддержки непрерывного образова-тель ного процесса [9-12].
1. Описание компетенций обучающихся на основе интегрированного метода концептуального представления знаний
Создание ИИС для обеспечения и поддержания непрерывного учебного процесса является сложной задачей, включающей этапы идентификации проблемной области, построения концептуальной модели проблемной области, формализации описания базы знаний, реализации и тестирования ИИС [11, 13-15]. В качестве важных выделяются операции, связанные с созданием базы знаний. Ответственным моментом в процессе создания и использования баз знаний является выбор метода представления знаний. Разработанные к настоящему времени и используемые методы представления знаний имеют ряд недостатков [11, 13, 14, 16], что влияет на возможности представления предметных областей и сужает множество допустимых операций над описаниями элементов действительности.
Для реализации модели непрерывного образования предлагается интегрированный подход к представлению знаний, в основе которого заложено семантическое и продукционное представление сущностей реального мира [4, 10, 17]. При этом подходе описание проблемной области PAR как множества представлений сущностей, связанных между собой отношениями, имеет следующий вид:
Сущности проблемной области для реализации модели непрерывного образования « представляются вершинами-сущностями (в дальнейшем изложении вместо «вершина-сущность» будет употребляться слово «вершина») сложноорганизованной сети, соединяются связями из множества Я и задаются атрибутами:
При использовании интегрированного подхода к представлению знаний, где элементы действительности представляются вершинами-сущностями [10, 17], для изменения знаний о предметной области, их эволюции необходимо накапливать сведения, позволяющие формировать понятия о новых ситуациях. С этой целью должны выделяться и запоминаться списки (подмножества) вершин, активизирующихся вместе с рассматриваемой 7-й вершиной - LNA7. Множество созданных списков вершин-ассоциаций LNA предназначается для формирования понятий, соответствующих новым ситуациям.
В процессе функционирования интеллектуальной информационной системы активизация рассматриваемой вершины может происходить в различных ситуациях (при различных контекстах). Для кластеризации ситуаций, в соответствии с их контекстами, необходимо накапливать описания ситуаций, в которых происходит активизация рассматриваемой вершины. Множество описаний ситуаций, активизирующих 7-е вершины SPS7, могут также рассматриваться и использоваться как прецеденты.
С учетом зависимостей (1)-(2) и внесенных дополнений описание проблемной области PAR принимает следующий вид:
PAR = {S, R, G},
где S ={S,} - множество представлений сущностей проблемной области PAR;
R = {R,} - множество взвешенных связей между сущностями S,; (1)
G - отображение, задающее между сущностями Sj связи из заданного набора типов связей R.
Si = (NS, PRUS„ PSUS„ LNLS7, LNHS7, LNR„ LNA, SPS, WS),
где NSi - имя сущности;
PRUSi - предусловия активизации вершины;
PSUSi - постусловия вершины;
LNLSi - список имен вершин, определяющих Si и для рассматриваемой проблемной области связанных отношением «включает»; (2) LNHSi - список имен вершин, определяемых вершиной S,-; LNRi - список имен связей для Si с другими вершинами, SPSi - множество описаний ситуаций, активизирующих вершину S,-; WSi - вес/сила вершины Si.
РАЯ = (Ж, РЯи, язи, 1М, ЬЫО, ЬЫЯ, ЬЫА, ЖК),
где ЫК - имя вершины-сущности;
РЯи - предусловия активизации вершины;
РБи - постусловия;
ЬЫ1 - список имен вершин, определяющих рассматриваемую;
ЬЫО - список имен определяемых вершин;
ЬЫЯ - список имен вершин-связей с другими вершинами;
ЬЫА - список имен вершин, ассоциирующихся с рассматриваемой;
1¥К - вес/сила вершины._
(3)
Файл Помощь
Редактирование Обучение Распознавание Планирование Реализация
Концепт: Коментарий:
П11
П12
П13
П21
П22
П23
П31
П32
ПЗЗ
П41
П42
П43
П51
П52
П53
ОП1
ОП2
ОПЗ
ОП4
ОП5
П1
П2
Е_знания о МПЗ Е_знания методов .., Е_У применять мет... Е_У определять Пр... Е_У представлять ... Е_У накапливать з.., Е_У анализа инстр... Е_У сравнения инс... Е_У решить об инс... Е_У_опред границ... Е_У выявлять объ... Е_У выявлять связ... Е_У описать Пр_Обл Е_У выбрать форм... Е_У формировать ... У_выбрать МПЗ У_наполнять БЗ У_выбрать Инстру.., У_Определить Пр,.. У_Описывать ПрО... Имеются знания о ... Е_У_ наполнения БЗ Е_У_ выбрать Инст... Е_У_ Определять ... Е_У_Описывать П... Е_У_ Проектирова... У_ Проектировать БЗ
Имя концепта: || ОП_С Коментрарий:
Изменить |[ Добавить |[ Удалить
У_ Проектировать БЗ
Список предусловий;
Список постусловий:
Вес:
Добавить Удалить
Список имен нижнего уровня:
Имя концепта: Вес: А
П1 П2 1 1
ПЗ ;
V 0
Добавить
Список имен связей:
Вес:
Добавить Удалить
Список примеров:
Вес:
Добавить Удалить
Имя концепта: Вес: [ Изменить
П_0 1 | Добавить
[ Удалить
□С 0
Список имен верхнего уровня:
Имя концепта: Вес: [ Изменить
П_0 1 | Добавить
[ Удалить
„Л 0
Имя концепта: Вес: | Изменить
[ Добавить
[ Удалить
V Г" 0
Рис. 1. Интерфейс системы управления базой знаний в режиме редактирования
описаний компетенций
На рис. 1. представлено окно интерфейса системы управления базой знаний в режиме редактирования описаний элементов компетенций. Элементы компетенций описываются с помощью интегрированного метода представления знаний [4, 10, 17]. На рисунке показан момент изменения в описании управляющего воздействия (процесса) фрагмента компетенции для дисциплины «Интеллектуальные информационные системы» [13, 14]. Элемент взят из описания фрагмента компетенции примера 1. Пример используется для пояснения и носит упрощенный характер.
Пример 1. Содержание фрагмента компетенции для дисциплины «Интеллектуальные информационные системы».
Процесс формирования умения «Спроектировать базу знаний» завершается признаком о наличии у обучаемого умения спроектировать базу знаний (БЗ). Процесс формирования умения по проектированию БЗ инициируется при наличии следующих пяти признаков: «Имеются знания о методах представления знаний (МПЗ)»; «Есть умение наполнения БЗ»; «Есть умение по выбору инструментальной среды»; «Есть умение по определению проблемной области (ПрОбл)»; «Есть умение по описанию ПрОбл выбранным формализмом». Данные признаки формируются по завершении соответствующих процессов обучения.
Признак «Имеются знания о МПЗ» формируется после завершения процесса, связанного с формированием умения выбрать МПЗ.
Признак «Есть умение наполнения БЗ» - после процесса, связанного с формированием умения наполнять БЗ.
Признак «Есть умение по выбору инструментальной среды» - после процесса, формирующего умение выбирать инструментальную среду.
Признак «Есть умение по определению проблемной области (ПрОбл)» связан с процессом, вырабатывающим умение определять ПрОбл.
Признак «Есть умение по описанию ПрОбл выбранным формализмом» формируется процессом, формализмом.
Файл Действия Помощь 1 Комментарий
□ пи
П12 П13 П21 П22 П23 П31 П32
р пзз
П41
□ П42
□ П43
□ П51
□ П52 П53
■ ОП1
■ ОП2
■ ОПЗ
■ ОП4
■ ОП5
■ П1
□ П2
□ пз
■ П4
□ П5
□ п_0 I оп_о
оМ
Е_знамия мет Е_У применят Е_У определ! Е_У предстаЕ Е_У накаплиЕ Е_У анализа I Е_У сравнена Е_У решить с Е_У_опред гр Е_У Е_У Е_У Е_У выбрать Е_У формиро! У_выбрать М
У_выбрать И У_Определт У_Описыватк Имеются знак Е_У_ наполне Е_У_ выбрат! Е_У_Опреде Е_У_Описыв Е_У_ Проект! У_ Проектирс
J
(Имеются знания о МПЗ)
[Е_У наполнения БЗ)
Л
ОПЗ П А
(Увыбрать Инструм_Среду) [Е У Определять ПрОбл)
0П1
(У_выбрать МПЗ)
ОП2
[Унаполнять БЗ)
П21
(Е_У определять ПрОбл)
(Е_У анализа инструмСред)
-1- ^
ОП4
(УОпределить ПрОбл)
(У_Описывать ПрОбл выбранформализм)
(Е_У сравнения инструм_Сред)
(Е_У_опред границы ПрОбл]
П51
(Е_У описать Пр Обл)
П11
[Е знания о МПЗ)
П22
[Е_У представлять знания)
X
(Е_У решить об инструмСред)
(Е_У выявлять объекты Пр Обл)
(Езнания методов анализа МПЗ)
П23
(Е_У накапливать знания)
ПАЗ
(Е_У выявлять связи Пр Обл)
П52
(Е_У выбрать формализм]
" V
[Е_У применять мет анализа МПЗ)
П53
(Е_У формировать ПрОбл)
Пуск 'ё ш. I
Открытое образование | МДИ_СИИ 2010 Февр | |Д| Проигрыватель Windo,,, | ^ | Интеллектуальная о
Рис. 2. Окно с визуализацией концептуального представления в базе знаний фрагмента компетенции по дисциплине «Интеллектуальные информационные системы»
Процесс, формирующий умение выбрать МПЗ, запускается при наличии следующих признаков: «Есть знания о МПЗ»; «Есть знания методов анализа МПЗ»; «Есть умения применять методы анализа МПЗ».
Процесс, связанный с выработкой умений наполнять БЗ, активизируется наличием следующих признаков: «Есть умения определять ПрОбл»; «Есть умения представлять знания»; «Есть умения накапливать знания».
Процесс, вырабатывающий умение выбрать инструментальные средства, запускается при наличии следующих признаков: «Есть умения анализа инструментальных средств»; «Есть умения сравнения инструментальных средств»; «Есть умение принять решение по выбору инструментальных средств».
Процесс, формирующий умение определять проблемную область, инициируется признаками: «Есть умение определять границы ПрОбл»; «Есть умение выявлять объекты ПрОбл»; «Есть умение выявлять связи между объектами ПрОбл».
Процесс, вырабатывающий умение описывать ПрОбл выбранным формализмом, связан с наличием следующих признаков: «Есть умение описать ПрОбл»; «Есть умение выбрать формализм»; «Есть умение формировать ПрОбл».
На рис. 2. показана визуализация содержимого БЗ для примера 1.
3. Создание описаний компетенций и их фрагментов
Предметная область для решения задач обеспечения непрерывного образования является очень сложной, и ее описание состоит из множества вершин-сущностей и связей между ними.
Создание элементов описаний компетенций в виде вершин-сущностей и связей между ними является сложной и ответственной задачей, поскольку неверно сформированная вершина-сущность и связь могут оказать негативное воздействие на результаты работы всей базы знаний [11, 12, 18].
Для снижения вероятности ошибок в описаниях компетенций целесообразно использовать вспомогательные инструменты как для создания новых описаний, так и для анализа существующих. При проведении исследований в качестве таких дополнительных инструментов использовались сети Петри [19, 20], предназначенные для моделирования систем, состоящих из
множества взаимодействующих друг с другом компонентов. В исследованиях в качестве компонентов рассматривались вершины-сущности. Вершинам-сущностям, как и другим компонентам реальных систем, присущ параллелизм.
В одном из подходов к проектированию и анализу различных систем сети Петри используются как вспомогательный инструмент анализа существующих систем [19, 20]. При создании анализируемой системы - описания компетенции, используются общепринятые методы проектирования. Полученное описание компетенции или ее фрагмента моделируется сетью Петри, а затем разработанная модель компетенции или ее фрагмента анализируется. При обнаружении в описании недостатков их устранение происходит путем модификации описания. Модифицированное описание компетенции или ее фрагмента опять моделируется и проводится анализ. Если результаты анализа оказываются неудовлетворительными, то модификация описания, построение модели компетенции (ее фрагмента) в виде сети Петри и ее анализ повторяются снова. Такой подход применяется для уже созданных описаний компетенций. В этом случае необходимы методы моделирования описаний компетенций сетями Петри.
При создании новых описаний компетенций или их фрагментов используется другой подход, при котором предполагается построение описания компетенции сразу в виде сети Петри. В этом случае методы анализа применяются только для создания описания компетенции, не содержащего ошибок [19, 20]. Затем сеть Петри преобразуется в описание компетенции в формате интегрированного метода представления знаний. Для такого подхода необходимы методы формирования описаний компетенций в виде сети Петри и методы реализации сетей Петри в формате интегрированного подхода к представлению знаний.
Интегрированный подход предполагает использование многих методов представления действительности. Для качественного решения задач обучения, интерпретации и планирования представление (описание) любой сущности должно включать: имя, предусловие, постусловие, список имен нижнего уровня, список имен верхнего уровня. Из этого набора элементов представления (описания) сущности для моделирования сетями Петри необходимы предусловия и постусловия, которые обеспечивают динамику/протекание информационных процессов распознавания, обучения, планирования в БЗ.
Действительность состоит из множества сущностей, среди которых можно выделить два типа: сущности-действия (процессы) - Сд и сущности-признаки - Сп. Эти два типа сущностей присутствуют в описании компетенции.
Сущность (описание) для моделирования сетью Петри в формате интегрированного метода представления знаний минимально может определяться тремя элементами в следующем виде:
Сщ = (И, ПрУ, ПсУ), где
И = (иь и2, ..., и,) - конечное множество имен сущностей, v > 0;
ПрУ = (ПрУь ПрУ2, ..., ПрУ,,) - конечное множество предусловий сущностей, v > 0;
ПсУ = (ПсУь ПсУ2, ..., ПсУ,) - конечное множество постусловий сущностей, V > 0.
Описание компетенции или ее фрагмента ОпК является пятеркой:
ОпК = (Истс, СП, СД, ПрУ, ПсУ), где
ИСтС = (и!, и2, ..., и„0 - конечное множество имен сущностей описаний компетенций, VI > 0;
СП = (сп!, сп2, ..., спп) - конечное множество сущностей-признаков, п > 0;
СД = (сдь сд2, ..., сдт) - конечное множество сущностей-действий, т > 0;
ПрУ = (ПрУь ПрУ2, ..., ПрУ^) - конечное множество предусловий сущностей описаний компетенций, VI > 0;
ПсУ = (ПсУь ПсУ2, ..., ПсУ^) - конечное множество постусловий сущностей описаний компетенций, VI > 0;
ПрУ: СД ^ СПвх - входная функция, сопоставляющая сущности-действию СД множество ее входных признаков;
ПсУ: СД ^ СПвых - выходная функция, сопоставляющая сущности-действию СД множество ее выходных признаков.
Сущность-признак спеСП является входом для сущности-действия сдеСД, если спеПрУ(сд).
Сущность-признак спеСП является выходом для сущности-действия сдеСД, если спеПсУ(сд).
Структура сети Петри для описания фрагмента компетенции из примера 1 определяется ее сущностями-признаками, сущностями-действиями, предусловиями и постусловиями.
Для примера 1 рассматривается создание описания фрагмента требуемой компетенции обучающегося. С этой целью выделяются действия (процессы) и признаки, которые представлены в табл. 1 и табл. 2 соответственно.
Таблица 1
Действия (процессы)_
ОПо Формирование умения проектировать БЗ
ОП1 Формирование умения выбрать МПЗ
ОП2 Формирование умения наполнять БЗ
ОПз Формирование умения выбрать инструментальные средства
ОП4 Формирование умения определять проблемную область
ОП5 Формирование умения описывать ПрОбл выбранным формализмом
Таблица 2 Признаки
По «Есть умение проектировать БЗ»
П1 «Имеются знания о методах представления знаний (МПЗ)»
П2 «Есть умение наполнения БЗ»
Пз «Есть умение по выбору инструментальной среды»
П4 «Есть умение по определению проблемной области (ПрОбл)»
П5 «Есть умение по описанию ПрОбл выбранным формализмом»
П11 «Есть знания о МПЗ»
П12 «Есть знания методов анализа МПЗ»
П13 «Есть умения применять методы анализа МПЗ»
П21 «Есть умения определять ПрОбл»
П22 «Есть умения представлять знания»
П23 «Есть умения накапливать знания»
П31 «Есть умения анализа инструментальных средств»
П32 «Есть умения сравнения инструментальных средств»
Пзз «Есть умение принять решение по выбору инструментальных средств»
П41 «Есть умение определять границы ПрОбл»
П42 «Есть умение выявлять объекты ПрОбл»
П43 «Есть умение выявлять связи между объектами ПрОбл»
П51 «Есть умение описать ПрОбл»
П52 «Есть умение выбрать формализм»
П53 «Есть умение формировать ПрОбл»
В формате интегрированного метода представления знаний [4] рассматриваемый фрагмент представлен в табл.3.
Таблица 3
Табличный вид фрагмента компетенции в формате интегрированного метода представления знаний
Обозначение Предусловие Постусловие Содержание
П1 = 1
П2 = 1
ОПо П3 = 1 По = 1 Уметь проектировать БЗ
П4 = 1
П5 = 1
П11 = 1
ОП1 П12 = 1 П1 = 1 Уметь выбрать МПЗ
П13 = 1
П21 = 1
ОП2 П22 = 1 П2 = 1 Уметь наполнять БЗ
П23 = 1
ОП3 П31 = 1 П32 = 1 Пзз = 1 П3 = 1 Уметь выбрать инструментальные средства
ОП4 П41 = 1 П42 = 1 П43 = 1 П4 = 1 Уметь определять проблемную область
ОП5 П51 = 1 П52 = 1 П53 = 1 П5 = 1 Уметь описывать ПрОбл выбранным формализмом
По ОП0 = 1 процесс завершен По = 1 Есть умение проектировать БЗ
П1 ОП1 = 1 процесс завершен П1 = 1 Имеются знания о МПЗ
П2 ОП2 = 1 процесс завершен П2 = 1 Есть умение наполнения БЗ
Пз ОП3 = 1 процесс завершен П3 = 1 Есть умение по выбору инструментальной среды
П4 ОП4 = 1 процесс завершен П4 = 1 Есть умение по определению проблемной области (ПрОбл)
П5 ОП5 = 1 процесс завершен П5 = 1 Есть умение по описанию ПрОбл выбранным формализмом
Пц Задается внешним признаком Пп = 1 «Есть знания о МПЗ»
П12 Задается внешним признаком П12 = 1 «Есть знания методов анализа МПЗ»
П13 Задается внешним признаком П13 = 1 «Есть умения применять методы анализа МПЗ»
П21 Задается внешним признаком П21 = 1 «Есть умения определять ПрОбл»
П22 Задается внешним признаком П22 = 1 «Есть умения представлять знания»
П23 Задается внешним признаком П23 = 1 «Есть умения накапливать знания»
П31 Задается внешним признаком П31 = 1 «Есть умения анализа инструментальных средств»
П32 Задается внешним признаком П32 = 1 «Есть умения сравнения инструментальных средств»
Пзз Задается внешним признаком П33 = 1 «Есть умение принять решение по выбору инструментальных средств»
П41 Задается внешним признаком П41 = 1 «Есть умение определять границы ПрОбл»
П42 Задается внешним признаком П42 = 1 «Есть умение выявлять объекты ПрОбл»
П43 Задается внешним признаком П43 = 1 «Есть умение выявлять связи между объектами ПрОбл»
П51 Задается внешним признаком П51 = 1 «Есть умение описать ПрОбл»
П52 Задается внешним признаком П52 = 1 «Есть умение выбрать формализм»
П53 Задается внешним признаком П53 = 1 «Есть умение формировать ПрОбл»
Модель сети Петри является асинхронной [19, 20] и служит для отображения и анализа причинно-следственных связей в системе. Для привязки к определенным моментам времени тех или иных переходов в синхронных системах используются события. Переходы из одних состояний в другие (протекание процесса) считаются «мгновенными». Сеть Петри имеет четыре базовых элемента: позиции, переходы, дуги и метки (фишки). Для моделирования фрагмента компетенции из примера 1 сетью Петри действия представляются переходами сети Петри, а признаки - позициями сети Петри.
Сеть Петри, моделирующая фрагмент компетенции, будет включать такие переходы, как:
- выполнение действия (процесса) ОП0, I! - выполнение действия (процесса) ОП1,
- выполнение действия (процесса) ОП2, (3 - выполнение действия (процесса) ОП3, ^4 - выполнение действия (процесса) ОП4, (5 - выполнение действия (процесса) ОП5. Признаки представляются следующим образом:
s0 - П0, s1 - ПЬ s2 - П2, s3 - П3, s4 - П4, S5 - П5, Su - Пц, S]2 - П12, s13 - П13, s21 - П2Ь s22 - П22, s23 -П23, s31 - П31, s32 - П32, s33 - П33, s41 - ^Ь s42 - П42, s43 - П4З, S51 - П51, s52 - П52, s53 - П53-
Сеть Петри, моделирующая фрагмент компетенции из примера 1, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Сеть Петри, моделирующая фрагмент компетенции
Построенная сеть Петри теперь может использоваться для анализа моделируемого фрагмента компетенции. Основными подходами к анализу сетей Петри являются [19, 20]:
- методы, основанные на использовании дерева достижимости;
- подход, основанный на матричном представлении сетей Петри, решении матричных уравнений и методах преобразования сетей.
На основе дерева достижимости могут выполняться [19, 20]: анализ безопасности и ограниченности, анализ сохранения, покрываемости, живости. Но дерево достижимости в общем случае нельзя использовать для решения задач достижимости и активности, эквивалентности. Это объясняется наличием символа со, обозначающего бесконечное множество значений маркировки позиции. При использовании символа с наблюдается потеря информации, т. к. конкретные количества фишек отбрасываются и учитывается только существование их большого количества. Матричные представления, решения матричных уравнений и методы преобразования сетей, являясь мощным средством анализа, оказываются пригодны только для отдельных подклассов сетей Петри и лишь в частных случаях.
Другой подход к использованию сетей Петри заключается [19, 20] в представлении фрагмента компетенции в виде сети Петри, исследовании полученной сети Петри на наличие ошибок и в последующем преобразовании сети Петри в описание фрагмента компетенции. Для этого подхода необходим метод представления фрагмента компетенции в виде сети Петри и преобразования сети Петри в описание фрагмента компетенции в формате интегрированного МПЗ. Основные этапы данного метода рассматриваются на примере 2.
Пример 2. Для овладения умением описывать предметную область обучающийся должен уметь структурировать предметную область, иметь навыки извлечения знаний и знать методы представления знаний. К приобретению вышеперечисленных умений, навыков и знаний обучающийся может приступить только тогда, когда у него имеются и сформированы:
- знания методов структуризации предметных областей и умения определять границы предметных областей;
- знания групповых методов извлечения знаний и умения применять индивидуальные методы извлечения знаний;
- знания логических подходов к представлению знаний (ПЗ) и знания сетевых подходов к представлению знаний.
Компетенции, а для примера 2 - фрагменты компетенций, представляются сетью Петри с использованием двух основополагающих понятий: условия и события (завершения процесса).
Состояние текущей компетенции обучающегося описывается совокупностью условий. Формирование требуемой компетенции состоит в осуществлении последовательности процессов (событий). Для возникновения события (завершения процесса) необходимо выполнение некоторых условий, называемых предусловиями. Завершение процессов может привести к выполнению условий, называемых постусловиями. В содержательном плане переходы соответст-
вуют завершениям процессов, которые характеризуют формирование компетенции, а позиции -условиям их возникновения. Переход (событие) характеризуется определенным числом входных и выходных позиций, соответствующих предусловию и постусловию данного события. Совокупность переходов, позиций и дуг позволяет описать статическую структуру компетенции. Для описания динамики используется еще один объект - маркер, или фишка позиции. Наличие фишки в некоторой позиции интерпретируется как истинность условия, соответствующего данной позиции. Расположение маркеров в позициях называется разметкой сети. Текущее состояние исследуемой компетенции (фрагмента) определяется распределением маркеров по позициям сети, а динамика поведения системы отображается перемещением маркеров по позициям сети. Переход, не имеющий ни одной входной позиции, называется истоком, а переход, не имеющий ни одной выходной позиции - стоком.
Основными событиями (процессами) при формировании умения описывать предметную область являются следующие:
^0 - формирование умения описывать ПрОбл;
11 - формирование умения структурировать ПрОбл;
12 - формирование навыков извлечения знаний;
^3 - приобретение знаний о методах представления знаний.
Для того чтобы событие произошло - завершился процесс, необходимо появление ситуации, в которой это событие (процесс) может быть реализовано. Сама ситуация определяется как совокупность некоторых условий возникновения события (запуска, протекания и завершения процесса). При синтезе сети Петри каждому из событий ставится в соответствие переход сети Петри, имеющий соответствующий номер. Переходы последовательно связываются друг с другом следующими входными/выходными позициями: я0 - есть умение описывать ПрОбл;
- есть умение структурировать ПрОбл; s2 - есть навыки извлечения знаний; я3 - есть знания о МПЗ; я11 - есть знания структуризации ПрОбл; s12 - есть умения определять границы ПрОбл; s21 - есть знания групповых методов извлечения знаний; s22 - есть умения применять индивидуальные методы извлечения знаний; я31 - есть знания логических подходов к ПЗ; я32 - есть знания сетевых подходов к ПЗ.
Полученная сеть Петри представлена на рис. 4. Созданная модель синтезирована из предположения, что условия возникновения событий всегда выполняются. В силу этого предположения не требуется вводить новые позиции, которые соответствуют набору условий выполнения событий - срабатыванию переходов: ^0, 12, (3.
При исследовании синтезированной сети Петри для фрагмента компетенции могут применяться методы анализа, позволяющие определять наличие или отсутствие таких основных свойств сетей Петри, как безопасность, ограниченность, сохраняемость, достижимость, живость [19, 20]. Для моделей компетенций наибольший интерес представляет анализ достижимости - возможности перехода из начального состояния в конечное (формирование компетенции). Возможно решение задачи по выявлению тупиковых ситуаций в формировании компетенций. Для рассматриваемого примера такой тупиковой ситуацией может быть неспособность обучающегося определять границы предметной области из-за отсутствия знаний об этой предметной области. При обнаружении такой ситуации могут предлагаться способы восполнения пробелов в знаниях.
Основными методами анализа свойств достижимости являются:
- построение дерева достижимости;
- метод матричных уравнений.
Построение дерева достижимости. Построение дерева достижимости осуществляется для синтезированной сети Петри с начальной маркировкой ц0 = (0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1), соответствующей ситуации, когда у обучающегося имеются все знания, навыки и умения из множества (яй я3, s11, я12, s21, s22, s31, я32), кроме умения описывать ПрОбл, умения структурировать
ПрОбл, навыков извлечения знаний. Необходимо достичь маркировки, при которой у обучающегося будут умения описывать проблемную область.
Для достижения поставленной цели обучающийся должен использовать процесс, соответствующий формированию умения описывать ПрОбл (срабатывание перехода t¿). Но процесс формирования умения описывать ПрОбл может быть запущен только после срабатывания всех переходов t1, 2 t3, а из этих переходов сработал только переход t3. Для запуска переходов t¡, имеются необходимые условия, и обучающийся может запускать соответствующие процессы для формирования умения структурировать ПрОбл (срабатывание перехода t1) и формирования навыков извлечения знаний (срабатывание перехода t2).
Из начальной маркировки (соответст-
вующая ситуация показана ранее) может сработать переход t¡, обеспечивающий выполнение процесса формирования умения структурировать ПрОбл. В результате срабатывания перехода t1 получается маркировка pi = (0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1). Из маркировки для формирования навыков извлечения знаний после срабатывания перехода t2 образуется маркировка ц2 = (0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1). Из полученной маркировки возможен запуск процесса формирования умения описывать ПрОбл (срабатывание перехода t0). Получается маркировка ц3 = (1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1), которая свидетельствует об отработке сети Петри и из которой не может быть запущен ни один переход. Такая маркировка (вершина) является терминальной и для рассматриваемой задачи (позиция s0 = 1) - выходной маркировкой.
Анализ сети Петри. Для синтезированной сети Петри (рис. 4) дерево достижимости представлено на рис. 5. Из основных свойств сетей Петри [19, 20] для составных связей могут использоваться следующие:
живость - отсутствие тупиковых состояний, исключая выходное (целевое) состояние составной связи;
безопасность - метки вершин включают только «0» и «1», что означает отсутствие зацикливаний;
правильность - сеть безопасна и живая;
пассивность переходов - переходу не соответствует ни одной дуги графа. И0=(0,0Д1ДЛДДДД) Построенное дерево достижимости содержит только одно тупико-
1 ti вое состояние, которое является целевым для достижения уровня компе-
щ=(1.0.0.1,1,1,1,1,1,1) тенции, что позволяет считать синтезированную сеть Петри живой.
12 Метки вершин (маркировок) включают только «0» и «1», следовательно
ц,=(1 Ю1111111) сеть безопасна. В итоге можно заключить, что сеть правильная. Кроме tQ того, дерево достижимости не включает пассивные переходы.
=0 1 1 1 1 1 1 1 1 i) Методы матричных уравнений. Альтернативным по отношению
Рис 5 Дерево дос- к опРеДелению сети Петри PN в виде (S, Т, I, О) является определение тиЖиМОсти для син- сети Петри PN в виде двух матриц D- и D+, представляющих входную и тезированной сети выходную функции I и O [19, 20]. Каждая из матриц D- и D+ имеет m = Петри | T | строк (по одной на переход) и n = | S | столбцов (по одному на по-
зицию).
Матричный вид сети Петри PN = (S, T, I, O) задается парой (DD+), где
D-[k, i] = #(s¿, tk) - кратность дуги, ведущей из позиции pi в переход tk;
D+[k, i] = # (si; tk) - кратность дуги, ведущей из перехода tk в позицию si, для произвольных
1 < k < m, 1 < i < n.
Матричная теория сетей Петри является инструментом для исследования и решения проблемы достижимости. Этот подход перспективен, но имеет ряд недостатков [19, 20]. Не полностью отражается структура сети, так как встречные дуги между переходом и позицией взаимно уничтожаются. Отсутствует информация о последовательности запусков переходов, что дает одному решению несколько последовательностей запуска переходов. Положительным момен-
том матричного подхода к анализу сетей Петри является компактность представления информации и высокая степень формализации.
Методика приведение синтезированной сети Петри к формату интегрированного метода представления знаний. Каждый переход и каждая позиция сети Петри представляют собой сущность. Вид структуры описания сущности представлен на рис. 1. Описание сущностей компетенции, синтезированной в виде сети Петри, происходит в следующей последовательности.
1. Формируется/запрашивается имя рассматриваемой сущности.
2. По входным в позицию или в переход дугам формируется предусловие сущности: условие включает имя сущности (перехода или позиции, если их имена идентичны), откуда берет начало дуга, и признак его активности - «1». Таким образом, формируется каждое условие из предусловий сущности.
3. По выходным дугам формируется постусловие рассматриваемой сущности. Для обеспечения безопасности сети Петри признаки активности могут соответствовать признаку активности только для одной ситуации. В качестве постусловия берется признак срабатывания перехода или появление метки в позиции.
4. Список имен нижнего уровня формируется из имен сущностей-признаков - позиций, используемых в предусловиях.
5. Список имен верхнего уровня формируется из имен элементов сети Петри, в условиях которых присутствует признак срабатывания рассматриваемой сущности.
Для синтезированной сети Петри, моделирующей уровень компетенции, выделяются следующие сущности-признаки и сущности-действия.
Сущности-признаки:
СП1 - есть умение описывать ПрОбл;
СП2 - есть умение структурировать ПрОбл;
СП3 - есть навыки извлечения знаний;
СП4 - есть знания о МПЗ;
СП5 - есть знания структуризации ПрОбл;
СП6 - есть умения определять границы ПрОбл;
СП7 - есть знания групповых методов извлечения знаний;
СП8 - есть умения применять индивидуальные методы извлечения знаний;
СП9 - есть знания логических подходов к ПЗ;
СП10 - есть знания сетевых подходов к ПЗ.
Сущности-действия:
СД1 - формирование умения описывать ПрОбл;
СД2 - формирование умения структурировать ПрОбл;
СД3 - формирование навыков извлечения знаний;
СД4 - приобретение знаний о методах представления знаний.
Описание сущности-признака СП| - активен датчик «Объекта рядом нет». В составной связи «Найти объект» в качестве первого элемента для представления в формате интегрированного метода представления знаний рассматривается сущность-признак СП1 - активен датчик «Объекта рядом нет». Нумерация выполняемых шагов будет соответствовать пунктам приведенной ранее методики.
1. В качестве имени выбирается СП1.
2. Формирование предусловия ПрУ. Для рассматриваемой сущности (позиции я0) ПрУ =
(СД1 = 1).
3. Формирование постусловия ПсУ. ПсУ = (СП1 = 1), т. к. данная позиция в сети Петри является истоком.
4. В список имен нижнего уровня СпИм_НУ входят имена сущностей-признаков активизации, используемых в предусловиях, т. е. для сущности-признака СП1 СпИм_НУ = (СД1).
5. Список имен верхнего уровня СпИм_ВУ формируется путем анализа выходных дуг рассматриваемого элемента сети Петри. Для сущности СП1 список имен верхнего уровня будет пустым, т. е. СпИм_ВУ = 0.
Следующие позиции сети Петри в формате интегрированного метода представления знаний описываются аналогичным образом.
В качестве первого элемента из сущностей-действий СД1 для описания в формате интегрированного метода представления знаний выбирается переход (0 - формирование умения описывать ПрОбл. Описание перехода t0 происходит аналогично описанию позиции.
1. Имя рассматриваемой сущности-действия - СД1.
2. Формирование предусловия ПрУ. Для рассматриваемого перехода t0 условием срабатывания является наличие меток:
• в позиции s1 (есть умение структурировать ПрОбл) - активизация признака СП2,
• в позиции s2 (есть навыки извлечения знаний) - активизация признака СП3,
• в позиции 5з (есть знания о МПЗ) - активизация признака СП4,
поэтому ПрУ = (СП2 = 1; СП3 = 1; СП4 = 1).
3. Формирование постусловия ПсУ. Признак активизации принимает значение «1» тогда, когда в данный переход поступает метка. Следовательно ПсУ = (СД1 = 1).
4. В список имен нижнего уровня СпИм_НУ входят имена сущностей-признаков (позиций), используемых в предусловиях, т. е. для сущности-действия СД1 СпИм_НУ = (СП2, СП3, СП4).
5. Список имен верхнего уровня СпИм_ВУ формируется путем анализа выходных дуг рассматриваемого элемента сети Петри. Выходная дуга рассматриваемого перехода t0 связана только с позицией s0, которая соответствует сущности-признаку СП1 - выполнение действия по формированию умения описывать ПрОбл. Следовательно, СпИм_ВУ = (СПД
Следующие переходы сети Петри в формате интегрированного метода представления знаний описываются аналогичным образом.
Таблица 4
Описание сети Петри для фрагмента компетенции в формате интегрированного метода представления знаний
Имя сущности ПрУ ПсУ СпИм_НУ СпИм_ВУ Элемент сети Петри
СП1 СД = 1 СП1 = 1 СД1 0 So
СП2 СД2 = 1 СП2 = 1 СД2 СД1 Si
СП3 СДз = 1 СПз = 1 СДз СД1 S2
СП4 СД4 = 1 СП4 = 1 СД4 СД1 S3
СП5 0 СП5 = 1 0 СД2 S11
СП6 0 СПб = 1 0 СД2 S12
СП7 0 СП7 = 1 0 СДз S21
СП8 0 СП8 = 1 0 СДз s22
СП9 0 СП9 = 1 0 СД4 S31
СПю 0 СПю = 1 0 СД4 s32
СД1 (СП2 = 1МСПз = 1МСП4 = 1) СД1 = 1 СП2; СПз; СП4 СП! to
СД2 (СП5 = 1МСП6 = 1) СД2 = 1 СП5; СПб СП2 t1
СДз (СП7 = 1МСП8 = 1) СДз = 1 СП7; СП8 СПз t2
СД4 (СП9 = 1МШю = 1) СД4 = 1 СП9; СПю СП4 t3
Заключение
Рассмотренный в статье подход к созданию интеллектуальных информационных систем использует интегрированный метод представления знаний. В рамках этого метода возможно описывать различные предметные области для решения большого числа задач непрерывного образования. В работе [4] показан пример формирования индивидуальной траектории обучения. Имеется возможность проводить актуализацию баз знаний и обеспечивать тем самым соответствие содержимого баз знаний действительности [17].
Использование формальных методов в виде сетей Петри для синтеза баз знаний с корректным содержанием может стать основой компьютерных методов создания ИИС. Методы анализа описаний компетенций с использованием дерева достижимости и матричной теории сетей Петри привлекают возможностью компьютеризации многих процессов.
Представляются очень перспективными вопросы визуализации процессов выполнения отдельных операций при создании и использовании баз знаний с описаниями компетенций.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 10-07-00672).
Образовательная среда
Литература
1. Тельнов Ю. Ф. Организационное обучение на основе управления компетенциями // Реинжиниринг бизнес-процессов на основе современных информационных технологий. Системы управления знаниями: Сборник научных трудов XII научно-практической конференции. - М.: МЭСИ, 2009. С. 282-289.
2. Тельнов Ю. Ф. Разработка государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования 3-го поколения по направлению «Прикладная информатика» на основе компетент-ностного подхода // Совершенствование подготовки IT-специалистов по направлению «Прикладная информатика» на основе инновационных технологий и E-LEARNING: Сборник научных трудов 2-й Российской научно-методической конференции. - М.: МЭСИ, 2006.
3. Рыбина Г. В. Обучающие интегрированные экспертные системы: некоторые итоги и перспективы // Искусственный интеллект и принятие решений, 2008. № 1. С. 22-46.
4. Трембач В. М. Формирование и использование моделей компетенций, обучающихся на основе эволюционирующих знаний // Открытое образование, 2009. № 6(77). С. 12-26.
5. http://www.claroline.net/doc/en/index.php/The_learning_path_tool (Дата обращения 25.08.2009).
6. http://www.eduworks.com/LOTT/Tutorial/learningobjects.html (Дата обращения 26.08.2009).
7. http://www.imsglobal.org (Дата обращения 16.08.2009).
8. Университеты в информационном обществе: новые вызовы (МЭСИ) // Открытое образование, 2009. № 6(77). С. 6-7.
9. Комлева Н. В., Макаров С. И. Инновационная технологическая среда оценки компетентности в образовании // Открытое образование, 2008. № 5(70).
10. Трембач В. М. Применение интеллектуальных технологий к формированию компетенций обучающихся //Искусственный интеллект и принятие решений, 2008. № 2. С. 34-45.
11. Джарратано Дж., Райли Г. Экспертные системы: принципы разработки и программирование. 4-е изд. - М.: Вильямс, 2007. - 1152 с.
12. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход. 2-е изд. - М.: Вильямс,
2007. - 1408 с.
13. Тельнов Ю. Ф., Трембач В. М. Интеллектуальные информационные системы: Учебное пособие. - М.: МЭСИ, 2009. - 202 с.
14. Рыбина Г. В. Основы построения интеллектуальных систем: Учебное пособие. - М.: Финансы и статистика, ИНФРА-М, 2010. - 432 с.
15. Частиков А. П., Гаврилова Т. А., Белов Д. Л. Разработка экспертных систем. Среда CLIPS. -СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 608 с.
16. Трембач В. М. Компьютерные методы представления и формирования знаний для синтеза планов решений // Новости искусственного интеллекта, 2005. № 3. С. 51-62.
17. Трембач В. М. Методы представления эволюционирующих знаний, обеспечения и оценки их соответствия действительности // КИИ-2008. Одиннадцатая национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием: Сборник научных трудов в 3-х томах. Т. 3. - М.: Физматлит,
2008. С. 315-322.
18. Осипов Г. С. Лекции по искусственному интеллекту. - М.: КРАСАНД, 2009. - 272 с.
19. Котов В. Е. Сети Петри. - М.: Наука, 1984. - 160 с.
20. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирования систем. - М.: Мир, 1984. - 264 с.
УДК 004.89: 330.42 ББК 20
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ЗАДАЧАХ РЕСТРУКТУРИЗАЦИИ ВУЗА
А. Н. Береза, к. т. н., доцент кафедры «Информационные системы» Тел.: (8636) 26-66-77, e-mail: anbirch@mail.ru Е. А. Ершова, ст. преподаватель кафедры информатики Волгодонского института сервиса (филиал) Тел.: (8639) 23-85-24, e-mail: stvelik@mail.ru Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса
http://www.sssu.ru
