Исследование структурных моделей открытых динамических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат физико-математических наук Бодякин, Владимир Ильич

• Бодякин, Владимир Ильич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бодякин, Владимир Ильич

ОГЛАВЛЕНИЕ

СТР.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ. АКСИОМАТИЧЕСКИЙ БАЗИС.

ФИЗИКА ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Ограниченность материальных ресурсов

1.2. Определение класса крупномасштабных информационных задач

1.3. Формы представления информации

1.4. Лингвистическая функция

1.5. Мера

1.6. Характеристики открытых динамических систем

1.7. Гиперпериод

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКРЫТЫХ

ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1. Информационное L-мерное пространство, образ

2.2. Текстовая энтропия

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕНЙНЫХ И НЕЛИНЕЙНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

3.1. Характеристики линейных и нелинейных моделей открытых динамических систем

3.2. Классификация нелинейных моделей

Глава 4. МЕХАНИЗМ АДАПТАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПОД ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТКРЫТЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

4.1. Соотношение характеристик открытых динамических систем и моделирующих их информационных систем

4.2. Структурная иерархизация памяти информационных систем

4.3. Необходимые условия существования информационных систем, моделирующих открытые динамические системы

Глава 5. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

5.1. Автоматизация подготовки и предварительной обработки исходных данных

5.2. Экспериментальные результаты по вычислению текстовой энтропии

5.3. Автоматическое выделение семантических единиц в лингвистических информационных потоках

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование структурных моделей открытых динамических систем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В связи с увеличением масштабов и структурной сложности систем управления, процессы алгоритмизации обработки данных наталкиваются на значительные трудности [1,3,4,6]. В данной работе исследуется проблематика построения структурных моделей открытых динамических систем. К этому классу относят геофизические, биологические, социально-экономические и многие другие системы. Характерными свойствами информационных потоков таких систем является - слабоструктурированность и изменчивость, а также большие объемы информационных потоков и их неполнота. При этом количественные характеристики систем значительно превосходят ресурсы программно-аппаратного обеспечения вычислительной техники, используемой для моделирования. Совокупность такого рода особенностей и составляет сущность проблемы структурного моделирования открытых динамических систем.

Актуальность этой проблемы в значительной мере объясняется большими изменениями, которые произошли в компьютерном моделировании за последние несколько десятилетий. В процессе научно-технического прогресса материальная ресурсоемкость вычислительной техники для равномощных устройств уменьшилась на несколько порядков [2,30], что приводит к компенсирующему замещению материальных ресурсов информационными. Материальным ресурсом назовем количество составляющих элементов открытой динамической системы, а информационным ресурсом - множество ее состояний.

Под открытыми системами, понимаются системы, осуществляющие обмен с внешней средой. В рассматриваемом случае, обмен осуществляется информационными и частично материальным ресурса-

ми. Понятие динамической системы связано с исследованием развития системы во времени [8].

При всем этом сам процесс разработки и внедрения методов моделирования открытых динамических систем весьма сложен и трудоемок. Поэтому для эффективного использования ограниченных научно-технических ресурсов представляется целесообразным оптимизировать этот процесс. Таким образом и возникает задача поиска и описания важнейших характеристик процесса моделирования открытых динамических систем, а также построения критериев для оценки эффективности этого процесса.

Цель и задача исследования состоят в разработке адекватной математической модели открытых динамических систем и исследовании структурных решений при ее реализации.

Методы исследования. Решение поставленной задачи осуществляется синтезом методов теории информации, общей теории систем, теории однородных вычислительных сред, лингвистики и теории нейронных сетей принципиально нового типа - нейросемантических структур [3,4,5,6,7,9,10,11]. При этом используется оригинальная процедура минимизации ресурсных затрат в информационных системах.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- введены определения крупномасштабных открытых динамических систем и текстовой энтропии; понятие меры информационного и материального ресурсов открытых динамических систем, а также понятие семантической единицы и образа.

- доказана теорема об усредненной монотонности текстовой энтропии в зависимости от размерности информационного пространства, а также теорема об изоморфности структуры формируемого в информацион-

ной системе отображения исходным структурам процессов в открытых динамических системах. - разработан алгоритм структуризации памяти информационной системы, приводящий к максимальному значению компрессии при условии, что совокупная длина семантических единиц существенно больше размера алфавита.

Теоретическое и практическое значение работы. В теоретическом плане исследован важнейший динамический параметр информационных систем - показатель компрессии отображения, характеризующий эффективность операции отображения открытых динамических систем, т.е. их качество. Доказано, что знания текстовых функций и показателя компрессии достаточно для построения процедуры автоматического формирования структурных систем, моделирующих крупномасштабные открытые динамические системы.

Практическое значение заключается в разработке инструментального комплекса на базе оригинальной однородной нейроподобной среды [30]. Проведенные на этом комплексе исследования показали возможность построения структурных моделей крупномасштабных открытых динамических систем.

По материалам работы в МФТИ читается спецкурс: "Нейроком-пьютинг - технические и социальные аспекты" по специальности 010300. Опубликована монография в рамках издательского проекта, поддержанного РФФИ (№97-06-87017).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Конференциях молодых ученых ИАТ (1980 - 1984 гг.), на Общемосковских семинарах по Искусственному интеллекту под рук. Д.А. Поспелова, на семинарах Московского общества испытателей природы под рук. Е.Д. Яхнина, на семинарах и Ученых советах Института (ИПУ РАН). Результаты работы так же докладывались на следующих Международных и

Всесоюзных конференциях и совещаниях: на XXXII и XXXIII НТОРЭС им. А.С. Попова (Москва 1977 - 78 гг.), на Международном семинаре-совещании "Алгоритмы обработки информации в нейроподобных системах", (г. Н-Новгород 14-16 сентября 1993 г.), на Международной конференции: "Анализ систем на пороге XXI века: теория и практика", (Москва, 27-29 февраля 1996 г.), на VI Международном Форуме информатизации (МФИ-97, Москва, 19-26 ноября 1997 г.), на Международной конференции "Анализ систем на рубеже тысячелетий: теория и практика" (Москва, 15-17 декабря 1998 г.), на V Всероссийской конференции "Нейрокомпьютеры и их применение" (Москва 17-19 февраля 1999г.), на Международной научной конференции им. В.И. Вернадского: "Интеллектуальный центр человечества и концепция банка знаний" (Москва,

22-26 марта 1999 г.).

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, одна из

них - монография.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе дается определение крупномасштабных открытых динамических систем и вводится аксиоматический базис для их формального описания.

Затем обсуждаются формы представления информации. Вводятся понятия физической и текстовой (лингвистической) функции. Далее доказывается теорема аппроксимации и теорема об эквивалентности обратного преобразования текстовой функции в физическую с целью корректного объединения аналоговой и дискретной форм представления информации. Вводится мера для количественной оценки величин информационного и материального ресурсов и исследуется многомерное информационное пространство открытых динамических систем.

Во второй главе исследуются свойства и характеристики текстовой энтропии, введенной диссертантом функции, характеризующей открытые динамические системы, а также доказывается теорема об усред-

ненной монотонности текстовой энтропии в зависимости от размерности информационного пространства, а также теорема об изоморфности структуры формируемого в информационной системе отображения исходным структурам процессов в открытых динамических системах.

Третья глава посвящена исследованию свойств и характеристик линейных и нелинейных моделей динамических систем, отображаемых в информационных системах. В завершении главы приводится классификация моделей информационных систем, отображающих основные характеристики открытых динамических систем.

В четвертой главе доказана теорема гласящая, что для достижения положительной компрессии (значение компрессии больше 1) структура отображения формируемого в информационной системе должна быть изоморфна структуре процессов в открытых динамических системах. В завершении главы рассматривается алгоритм получения максимального значения показателя компрессии на иерархической памяти информационной системы.

В пятой главе анализируются результаты экспериментов, проведенных с помощью разработанного автором инструментария на базе нейроподобных элементов [30].

В заключении приведены основные выводы и результаты работы.

В приложении анализируются результаты экспериментов. Первая группа экспериментов демонстрирует результаты кластеризации априорно неизвестных открытых динамических систем инструментарием на базе нейроподобных элементов. Во второй группе экспериментов подтверждаются выводы теоремы об изоморфности структуры процессов в открытых динамических системах и в моделирующей их информационной системе.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Бодякин, Владимир Ильич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертации исследования приводят к следующим выводам и результатам.

Автоматизация семантического анализа информационных потоков, которые в настоящее время буквально захлестнули возможности современных информационных систем, стала чрезвычайно актуальна. Переход экономик многих государств в разряд информационных экономик, в которых информационный ресурс является определяющим, также требует разработки новых средств по автоматизации обработки неструктурированных данных.

В диссертации сделан шаг в направлении создания инструментария, способного проводить семантическую структуризацию априорно неопределенных информационных потоков. В диссертации теоретически и экспериментально показана процедура выделения семантических единиц.

Отношением (10) выражена требуемая характеристика информационных систем, которые можно рассматривать в качестве инструментария для работы с открытыми динамическими системами. А к этому классу социально-экономических задач относятся практически все известные задачи.

В диссертации:

- введены определения: крупномасштабных открытых динамических систем, текстовой энтропии, гиперпериода, меры информационного и материального ресурсов, а также понятие информационного пространства, образа и семантической единицы;

- исследованы свойства текстовой энтропии;

- показано существенное преобладание информационного ресурса над материальным для любой динамической системы;

- доказаны теоремы об усредненной монотонности текстовой энтропии в зависимости от размерности информационного пространства и теорема об изоморфности структуры формируемого в информационной системе отображения исходным структурам процессов в открытых динамических системах; - разработан алгоритм иерархической структуризации памяти информационной системы, приводящий к максимальному значению показателя компрессии, при условии существенного преобладания совокупной длины семантических единиц над размером алфавита.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бодякин, Владимир Ильич, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Математический энциклопедический словарь, М:. Советская энциклопедия, 1988, с. 62-66

2. Громов Г.Р. Национальный информационный продукт. М., Наука, 1984.-240с.

3. Фон Нейман Дж. Теория самовоспроизводящихся автоматов. М., Мир, 1971.;

4. Евреинов Э.В., Прангишвили И.В. Цифровые автоматы с настраиваемой структурой (однородные среды). М.,1974;

5. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника, теория и практика, под ред. А.И. Галушкина, М., Мир, 1992.;

6. Бутусов O.A., Володин В.М. Информатика. Основные понятия и методы. М.., 1996.

7. Статистика речи. Сб. статей. Ленинград, Наука, 1968. -260с.

8. Чуканов С.Н. Взаимодействующие динамические системы (научное издание), Омск, 1998. -116с.

9. Искусственный интеллект и экспертные системы (Вычислительные системы, 157) /Под ред. Н.Г. Загоруйко, Новосибирск, 1996

10. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Анализ данных на компьютере /Под ред. В.Э.Фигурнова. - М.: ИНФРА-М, финансы и статистика, 1995 - 386с., с ил.

11. Самарский A.A., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. М., Наука, 1997.

12. Пиотровский Р.Г. Текст, машина, человек. Наука., Ленинград, 1975, -328с.

13. Сухотин Б.В. Оптимизационные методы исследования языка. М., Наука, 1976,-170с.

14. Сухотин Б.В. Выделение морфем в текстах без пробелов между словами. М., Наука, 1976, -170с.

15. Брюллюэн Л. Научная неопределенность и информация. М.: Мир, 1976 -272с.

16. Пелюхина Е.Б., Фрадкин Э.Е. Самоорганизация физических систем: Учебное пособие. - СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 1997. -324с.

17. Глушков В. М. Безбумажная информатика. "Наукова думка" 1976г.

18. "Открытые системы" № 4-5 1998 г.

19. Масалович А.И. "Новое эльдорадо: интеллектуальные системы в бизнесе", PC Week №3 1997 г.

20. Брой М. Информатика, ч.1, ч.2, ч.З, ч.4, М., Диалог МИФИ. 1996г.

21. Айламазян А.К., Стась Е.В. "Информатика и теория развития" М., Наука 1989г.

22. Бодякин В.И. Экспериментальная система диалога на естественных языках, тезисы, XXXII НТОРЭС 1977 г.

23. Бодякин В.И., Иваницкий В.И., Эпштейн В.Л. Терминальный комплекс АРИУС // Автоматизация проектирования. 1979 г., вып. 2., М, Наука

24. Бодякин В.И. Информационные иерархически-сетевые структуры для представления знаний в информационных системах // сб.тр. Проблемно-ориентированные программы (модели, интерфейс, обучение), М., 1990 г. ИПУ

25. Bodyakin V. "Computer-Aided Structurization of the Textual Information", abstract, Prague, Czechoslovakia, 1990 r.

26. Бодякин В.И. Нейролингвистическая форма представления информации на нейроподобных элементах, тезисы доклада на Международном

семинаре-совещании "Алгоритмы обработки информации в нейропо-добных системах", г.Н-Новгород 14-16 сентября 1993 г.

27. Бодякин В.И. Модель нейроподобной информационной системы (НИС) с естественными характеристиками, тезисы доклада на VI Международном Форуме информатизации (МФИ-97), Москва, 19-26 ноября 1997 г., 2 стр.

28. Бодякин В.И. Концептуальный подход к построению крупномасштабных автоматизированных систем управления на базе нейролин-гвистических структур, тезисы доклада на VI Международном Форуме информатизации (МФИ-97), Москва, 19-26 ноября 1997 г., 2 стр.

29. Бодякин В.И. Нейросемантические структуры как основа инструментария для моделирования и управления крупномасштабными социально-экономическими системами, тезисы доклада на Международной конференции: "Анализ систем на рубеже тысячелетий: теория и практика - 1998 г.", Москва, 15-17 декабря.

30. Бодякин В.И. Куда идешь, человек? Основы эволюциологии (информационный подход) -М., СИНТЕГ, проект РФФИ, - 332 стр., 1998 г.

31. Бодякин В.И. Предел вычислительной мощности информационных систем, тезисы доклада на Юбилейной конференции ИПУ РАН, 1999

32. Бодякин В.И. Эволюция понятия 'система' в преддверии третьего тысячелетия, доклад на Международной конференции: "Анализ систем на пороге XXI века: теория и практика", М., Интеллект, Т.З, с.214-226, 1995 г.

33. Евреинов Э.В. Информациология сред, структур и биокомпьютерных систем. М., 1996, 30с

35. Эндрю А. Искусственный интеллект. М., Мир 1985, с264.

37. Кохонен Т. Ассоциативные запоминающие устройства. М., Мир, 1982.-380с.

38. Колмогоров А.Н. Теория информации и теория алгоритмов. М., Наука, 1987.-304 с.

39. Кан Ж. Возможности символьных вычислений. - Сб. Вычислительные системы пятого поколения", под ред. Мото-Ока и др.,М., Мир, 1987,-455с.

40. Интеллектуальные процессы и их моделирование. - Сб. под ред. Е.П.Велихова, М., Наука, 1987.-400 с.

41. Дискуссия о нейрокомпьютерах. - Сб. под ред. В. И. Крюкова, Пущи-но, 1988.-82 с.

42. Миклухо-Маклай H.H. Собрание сочинений. 2-Зтт, М.: Наука, 1993

43. Соколов E.H., Шмелев JI.A. Нейробионика. М., Наука, 1983, 280 с.

44. Линдсей П., Норман Д. Переработка информации у человека. М., Мир, 1974.-546 с.

45. Гладун В. П. Эвристический поиск в сложных средах. Киев, "Наумова думка", 1977.-206 с.

46. Поспелов Г. С. Искусственный интеллект - основа новой информационной технологии. М., Наука, 1988.-279 с.

47. Ракитов А. И., Андрианова Т.В. Философия компьютерной революции. Вопр. фил. №11 86г. с.72-82.

48. Крайзман Л.П. Память кибернетических систем. М., Энергия, 1971 г.

49. Сонеп Joou, "HierarcHical coding of Binari images" "IEEE Trans, раттегп anal, and масн. intel." 1985, 7, №3 284-298pp.

50. Цикритзис Д., Лоховски Ф. Модели данных. М., Фин. и статистика, 1985г.340с.

51. Иванов П.Н. Организация и методика информационных работ. М.: Радио и связь, 1982 -190 с.

52. Ope О. Теория графов. М. Наука, 1968, 351 с.

53. "Уплотнение информации в базах данных" ЭИ, Вычислительная тех-

ника №2 1987 г, Ю-18 с.

54. К. Goser, С. Foelster and U. Ruecicert "Intelligent memories in VLSI", "Information sciens", V34, №1, okt. 1984, pp. 61-82.

55. Арбиб M. Метафорический мозг. M., Мир, 1976г. с. 295.

56. Каиыгии Ю.М. Индустрия информатики. Киев, Техника, 87-152.

57. Ракитов А.И. Философия компьютерной революции. М. Политиздат, 1991.287с.

58. Лурия А.Р. Основные проблемы нейролингвистки. М., МГУ. 1975,-254

59. Бонгард И.М. Проблема узнавания, М., Наука, 1967г. -220 с.

60. Хакен Г. Информация и самоорганизация: Макроскопический подход к сложным системам. М.: Мир, 1991. 240 с.

61. Тацуно Ш. Стратегия - технополисы. М. Прогресс 1989 г., 345 с.

62 Фон Нейман Дж. Теория самовоспроизводящихся автоматов. М., Мир, 1971,382 с.

63. Нейрокомпьютеры и интеллектуальные роботы, под ред. Амосова H.A. и др., Киев: Наук, думка, 1991-272 с.

64. Кузнецова В.Л., Раков М. А. Самоорганизация в технических системах. Киев, Наукова думка 1987 199.

65. Шафаревич И. О некоторых тенденциях развития математики. Москва, 12/90.

66. Широков Ф.В. На пути к пятому поколению компьютеров. М.1985г.170 с.

67. Фейман Р. Характер физических законов. М., Наука, 1887, 160 с.

68. Моисеев H.H. Алгоритмы развития. М., Наука, 1987, 304 с.

69. Компьютер и нелинейные явления: информатика и современное естествознание. М., Наука 1988,192 с.

70. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., Наука, 1974.

71

72.

73,

74

75

76

77

78

79

80

81

83

84

85

86

Добров Г.М. Наука о науке. Начала науковедения 3-еизд. Наукова думка, Киев 1989, 298 с.

Тьюринг А. Может ли машина мыслить?, изд-во физмат, литературы. М„ 1960 г., 112 с.

Современные проблемы математики, сер. математика, кибернетика. М., Знание, 7/1981.

Егоров И.П. О математических структурах. Знание, сер. математика, кибернетика, 5/1976

Бриллюэн J1. Научная неопределенность и информация. М., Мир, 1966,272с.

Пригожин И., Стингере И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М., Прогресс, 1986.

Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., Мир, 1979.

Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М., Мир, 1975.

Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. М., Мир, 1978, 312 с.

Мигдал А.Б. Физика и философия. Вопр. философии 1/1990, 5-32 с. Бутусов O.A., Володин В. М. Информатика. Основные понятия и методы. М., 1996.

Прангишвили И.В. Модели обработки информации в однородных вычислительных средах.

Введенов A.A. Моделирование элементов мышления. М., Наука, 1988.-160с.

Нейросетевые технологии и нейрокомпьютеры, сб.трудов.Киев,1994,-80с.

Панов E.H. Знаки, символы, языки, 2-е изд. М., Знание, 1983 -248с.

87. Пановкин Б.Н. Объективность знания и проблема обмена смысловой информацией с внеземными цивилизациями //Философские проблемы астрономии XX века, М., Наука 1976

88. Пуанкаре А. О науке. М., 1983 с. 278-279

89. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетика. М., ИЛ, 1968.

90. Егоров ЮЛ. Исследование систем управления, М., 1997, -206 с.

91. Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение. М.: Мир, 1988 -248 с.

92.Прангишвили И.В. Основные системные законы управления сложными системами различной природы в кризисной ситуации. //Приборы и системы управления, 2/1997

93.Прангишвили И.В. Системный подход и системные закономерности функционирования сложных системам различной природы. //Современные технологии управления, сб. докладов. М., 1998г.