2.2.  Иерархия в интеллектуальных ИС

Согласно теории В. Вернадского, Вселенная — единая саморазвива- ющаяся система. Во всех процессах, происходящих во Вселенной, присутствуют случайные факторы (стохастические). Они влияют на развитие процессов и придают им некоторую неопределенность. Поэтому возникновение новой структуры, в частности интеллектуальной ИС, может проходить по разным траекториям [8, 67, 68]. Новые качественные особенности интеллектуальной ИС появляются благодаря изменчивости. В эволюционирующей интеллектуальной ИС всегда существует зависимость от прошлого, т. е. от него зависят как настоящее, так и будущее. Эту зависимость условно называют наследственностью интеллектуальных ИС.

Принципы отбора позволяют выбрать из возможных виртуальных состояний некоторое множество разрешимых. Они допускают бифуркационные состояния в интеллектуальной ИС, из которых возможен переход во множество новых состояний.

ЕС дает возможность появиться новым формам организации материи, эти формы как бы потенциально ею заготовлены, но детали процесса непредсказуемы, аналогично может происходить и в интеллектуальной ИС.

Интеллектуальные ИС можно условно классифицировать:

•    как изолированные (нет обмена с внешней средой);

•    закрытые (есть только обмен энергией);

•    открытые (есть все виды обмена).

В открытых системах, далеких от равновесия, возможны новые динамические состояния материи (диссипативные системы), приводящие к самоорганизации.

Во всех случаях в ЕС и ИС имеется иерархия, иначе говоря, рассматриваемые системы состоят из большого числа подчиненных подсистем. Отметим, что многоуровневое управление в ИС иногда бывает предпочтительнее централизованного подхода, так как управление может осуществляться быстрее и с меньшим требованием к объему памяти; система менее чувствительна к изменениям структуры взаимодействий — изменениям, которые могут иметь регулярный или случайный характер.

Приведем двухуровневое представление интеллектуальной ИС (рис. 2.4). Это простейшая двухуровневая иерархия. Здесь mi,... ..., тп, mn+i — входы; у — предварительный выход; G — глобальная функция качества; V — окончательный выход. Координатор может рассматривать независимость подпроцессов друг от друга и применить принцип согласования взаимодействий для их управления. Важная проблема в интеллектуальных ИС — реализация перехода с уровня на уровень и определение, как поведение системы на одном уровне влияет на системы, расположенные на соседних уровнях.

Каждый элемент здесь имеет собственную цель, которая зависит от параметра, получаемого от координатора. Координатор может иметь цель, отличную от глобальной цели, и выбирать параметры так, чтобы обеспечить выполнение своей собственной цели. Если зависимость между целями закономерна, интеллектуальная ИС может достигнуть глобальной цели. Интегральное поведение определяется действиями координатора и его стремлением добиться выполнения собственной цели. Таким образом, интеграция в интеллектуальных ИС достигается посредством координации и адаптации [67-69].

Приведем основные характеристики иерархических интеллектуальных ИС:

•    последовательное вертикальное расположение подсистем, составляющих общую систему (вертикальная декомпозиция);

•    приоритет действий или право вмешательства подсистем верхнего уровня в работу нижних уровней;

•    зависимость действий подсистем верхнего уровня от фактического исполнения нижними уровнями своих функций.

Взаимодействие между уровнями в интеллектуальной ИС может проходить как между двумя близлежащими уровнями, так и между любым числом уровней. Входы и выходы могут быть распределены по всем уров

ням. Качество работы всей интеллектуальной ИС обеспечивается обратной связью.

Интеллектуальные ИС обычно классифицируют по уровням: описания или абстрагирования, сложности, организации выполнения управления для решения задач. Интеллектуальная ИС задается семейством моделей, каждая из которых описывает поведение системы с точки зрения различных уровней абстрагирования. Для каждого уровня существует ряд характерных особенностей и законов, которые и описывают поведение интеллектуальной ИС. Для лучшего функционирования необходима как можно большая независимость моделей для различных уровней.

Фундаментальную роль в интеллектуальных ИС играют стратифицированные или многоуровневые модели. Тогда, в зависимости от задачи, сначала можно ограничиться одним уровнем, а. затем либо детализировать свои знания, двигаясь вверх, либо углубить их, двигаясь вниз. Цель в иерархических интеллектуальных ИС надо выбирать так, чтобы ее можно было развернуть в подцели и тогда появляется возможность оценить, приблизились ли мы к первоначальной цели. Например, на рис. 2.5 показана одна из возможных многоуровневых интеллектуальных ИС. Здесь ИИСі —ИИСз различные детализированные модели подсистем интеллектуальной ИС.

Рассмотрим функциональную иерархию управления в интеллектуальной ИС в условиях полной неопределенности [67-69]. Здесь необходимо осуществить:

1.   Выбор стратегии управления.

2.   Уменьшение или устранение неопределенности.

3.   Поиск предпочтительного или допустимого способа управления, удовлетворяющего заданным ограничениям.

Простую иерархию интеллектуальной ИС можно составить из трех слоев: слой выбора, слой обучения иди адаптации, слой самоорганизации (рис. 2.5).

Задача слоя выбора — конкретизация множества неопределенностей. Выбор — это анализ альтернативных решений.

Основная цель слоя адаптации — обучение, т. е. определение возможностей сужения множества неопределенностей и упрощения работы слоя выбора. Адаптация — это управление с обратной связью на основе статистических методов.

Самоорганизация — эвристические, синергетические, гомеостатические методы поиска. Слой самоорганизации должен выбирать структуру функции и стратегии для нижележащих слоев, чтобы по возможности при

близиться к глобальной цели. Если общая цель не достигается, этот слой может изменить критерии на первом слое или стратегию обучения на втором в случае неудовлетворенности оценки. Всегда необходимо учитывать меняющиеся технологические условия и ограничения, налагаемые оборудованием и внешней средой. Задача управления в интеллектуальной ИС — удержать (в условиях неизбежных отклонений) соответствующие переменные около заранее заданных значений.

Приведем один из возможных примеров многоуровневой организационной иерархии в интеллектуальной ИС [8, 67-70]:

•    интеллектуальная ИС состоит из семейства взаимодействующих подсистем;

•    некоторые из подсистем являются элементами, принимающими решения;

•    в интеллектуальной ИС элементы располагаются иерархически.

В процессе решения оптимизационной задачи элементам нижних уровней должна быть предоставлена некоторая свобода в выборе их собственных решений. Эти решения в частном случае могут быть такими, которые выбрал бы верхний уровень. Элемент верхнего уровня имеет дело с более крупными подсистемами или с более широкими аспектами поведения интеллектуальной ИС. Период управления для элемента верхнего уровня больше, чем для элементов нижних уровней. Элемент верхнего уровня имеет дело с более медленными аспектами поведения интеллектуальной ИС.

Проблема, решаемая элементом нижестоящего уровня, зависит от вышестоящего элемента и заключается в выработке значений определенного параметра. Обычно вводится приоритет действий вышестоящего элемента путем вмешательства до начала работы. Это основной способ координации. Вмешательство до начала основано на прогнозировании поведения как интеллектуальной ИС, так и окружающей среды. Вышестоящий элемент в ходе такого процесса определяет функции качества для оценки деятельности нижестоящего элемента. Он должен исправить посланные ранее элементами нижестоящего уровня инструкции, если допущения, выработанные на основе этих инструкций, неверны. Эти действия координирующего элемента после управления есть корректирующее или поощряющее вмешательство. Приведем следующие основные способы координации [69].

Координирование путем прогнозирования взаимодействий.

Здесь вышестоящий элемент посылают нижестоящим значения будущих связующих сигналов. Нижестоящие элементы начинают вырабатывать свои локальные решения в предположении, что связующие сигналы будут такими, какими их предсказал координирующий элемент.

Координирование путем оценки взаимодействия.

Вышестоящий элемент задает диапазон значений для связующих сигналов. Нижестоящие элементы рассматривают эти сигналы как возмущения, принимающие любое значение в заданном диапазоне.

Координирование путем «развязывания» взаимодействий.

В этом случае элементы нижестоящего уровня трактуют связующий сигнал как дополнительную переменную решения.

Координирование типа «наделение ответственностью».

Вышестоящий элемент снабжает нижестоящие элементы моделью зависимости между его действиями и откликом системы.

Координирование путем «создание коалиций».

Нижестоящие элементы знают о существовании других элементов, также принимающих свои решения на том же уровне. Вышестоящий элемент определяет, какого уровня связи разрешены между ними. Это приводит к коалиционным или конкурентным отношениям между нижестоящими элементами.

Координация имеет два аспекта: самоорганизации (изменения структуры) и управления (выбор координирующего вмешательства при фиксированной структуре). Самоорганизация может относиться к изменениям функций и взаимосвязей, используемых в процессе координации. Работа вышестоящего элемента сводится к выбору способа координации, модифицированию функций, координирующих воздействия, определяющих стратегии нижестоящего элемента.

Выбор модели для вышестоящего элемента основывается на признании того факта, что для него управляемый процесс описывается как взаимодействие семейства взаимосвязанных подсистем, каждая из которых преследует собственные цели. Иерархическое упорядочивание часто связано с процессом изменения структуры уже существующей интеллектуальной ИС для повышения эффективности ее работы.

Опишем интеллектуальную ИС как отображение М: X —^ Y. Это отображение абстрактного множества X в Y; пара (х,у) £ М, когда у является решением определенной задачи, конкретизация которой осуществляется посредством задания х. Тогда М — это модель интеллектуальной ИС. Пусть g: X V функция, отображающая произвольное множество X в множество Y, частично или полностью упорядоченное отношением «меньше» или «равно». При изменении определенных условий (управляющих параметров) в системах образуются качественно новые структуры в макроскопических масштабах. Интеллектуальная ИС обладает способностью переходить из одного нечеткого состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или даже в одно из нескольких упорядоченных состояний. Система может совершать случайные движения, что считается хаосом [11, 19, 64, 65]. Такие процессы самоорганизации в макромасштабах могут приводить к возникновению качественно новых интеллектуальных ИС.