Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

QUALITY ASSESSMENT THE OPERATION OF THE ULAN-BATOR RAILWAYS STATION ON THE BASIS OF THE ONTOLOGICAL AND RULE-BASED MODELING

Arshinskiy V.L. 1 Arshinskiy L.V. 2 Dorzhsuren Khishigsuren 3
1 Irkutsk National Researching Technical University
2 Irkutsk State University of Railway Transport
3 Transport Institute
В работе на примере станции Улан-Баторской железной дороги обсуждается один из возможных подходов к агрегированному оцениванию качества функционирования производственных систем. В основе лежит описание станции с помощью онтологий с последующим переходом к нечеткой продукционной базе знаний и расчетом агрегата в ходе присоединенного логического вывода. Продукции имеют вид «Если Не-С, то Не-С`»: если не функционирует компонент С, то не функционирует непосредственно зависящий от него компонент C`. Нечеткость выражается в том, что продукции и их антецеденты имеют истинность, выраженную числом из интервала [0, 1]. Для задания значений истинности предлагается пользоваться лингвистическими оценками с переводом их в числовые значения из интервала [0, 1]. Расчет выполняется с использованием технологии экспертных систем. Обсуждаются способы выставления первоначальных оценок функциональным элементам, вопросы задания ценностей компонентов и выбора агрегирующей функции. Достоинством предлагаемого подхода является гибкая настройка алгоритма расчета агрегированных оценок в случае изменений в структуре предприятия. Учет структурных изменений можно сделать редактированием базы знаний. Также в рамках подхода естественным образом вводится понятие ключевых компонентов, утрата которых влечёт нефункционирование системы в целом.
In the work on the example of Ulan-Bator railway station one of possible approaches to the aggregated estimation of quality of functioning of production systems is discussed. The basis is the description of the station using ontologies, followed by the transition to a fuzzy production knowledge base and the calculation of the unit during the attached logical inference. Products have the form «if Not-C, then Not-C»: if the component C does not function, then the component C that directly depends on it does not function. Fuzziness is expressed in the fact that the products and their antecedents have the intensity expressed by the number from the interval [0, 1]. To set the values of truth, it is suggested to use linguistic estimates with their translation into numerical values from the interval [0, 1]. The calculation is performed using the technology of expert systems. The methods of initial evaluation of functional elements, the questions of setting the values of components and the choice of the aggregation function are discussed. The advantage of the proposed approach is the flexible configuration of the algorithm for calculating aggregated estimates in the event of changes in the structure of the enterprise. Accounting for structural changes can be done by editing the knowledge base. Also, the concept of key components, the loss of which leads to the loss of the system as a whole, is introduced naturally within the framework of the approach.
aggregated estimation
ontology
production knowledge base
fuzzy inference
production and economic system
expert system

Оценка качества функционирования объекта управления – важная составляющая успешного управления [1–4]. Практика выработала различные подходы к этому. Распространенным приемом является оценка по экономическим показателям – объему выпуска продукции, производительности труда, себестоимости, рентабельности и т.п. Эти показатели отражают совокупный результат предприятия, но, к сожалению, не позволяют оценить эффективность отдельных служб и подразделений.

Другим подходом могло бы стать точное количественное моделирование деятельности предприятия как системы с учетом вкладов всех составляющих и отношений системы. Однако это выглядит достаточно утопичным. Предметная область здесь явно плохоформализованная, включает множество различных, в том числе неочевидных количественных и качественных зависимостей, и построение подобной модели вряд ли возможно.

Еще один подход, основанный на технологии экспертных систем (ЭС) и использующий знаниевое моделирование, представлен в [5, 6]. В его основе лежит описание предприятия как производственной системы с помощью онтологии, с необходимой степенью подробности формализующей отношения между компонентами, с последующим преобразованием онтологии в продукционную базу знаний (БЗ), содержащую нечеткие продукции. Это позволяет на смешанном – количественно-качественном уровне описать предприятие. Качественность здесь – это огрубленное описание взаимовлияний по схеме «Если…, то…». Количественность – представление «силы» этих влияний числом из отрезка [0, 1]. Искомые показатели (агрегированные оценки деятельности предприятия и его отдельных подразделений) вычисляются в ходе нечеткого присоединенного вывода на продукционной БЗ. Сразу заметим, что агрегат здесь отражает не натуральные, а условные показатели деятельности предприятия или организации. Они основаны на экспертных оценках значимости отдельных подразделений и работников для служб и подразделений верхнего уровня (производственную систему рассматриваем как иерархическую), а также на аудиторском оценивании состояния исполнительных звеньев – низовых (функциональных) элементов иерархии.

В работе исследуются некоторые особенности применения этого подхода к анализу деятельности железнодорожных станций Улан-Баторской железной дороги (УБЖД). В качестве объекта берется станция II класса УБЖД – Амгалан.

Онтологическое моделирование

Онтологическое моделирование, представление ситуации с помощью онтологий и когнитивных карт – одно из активно развивающихся направлений в описании сложных предметных областей (см. напр. [7, 8]). В основу онтологической модели станции положена её структура и отношение подчиненности внутри станции [9]. Так как станции Амгалан подчиняются 10 меньших станций, онтология должна учитывать и их, а также их внутреннюю структуру. Онтологическая модель станции Амгалан представлена на рис. 1. Каждая из представленных на рис. 1 станций имеет свою внутреннюю структуру и также может представляться онтологической моделью. На рис. 2 показана онтологическая модель станций 4 класса Хонхор и Цагаан-Хяр. Онтологические модели станций 5 класса (Баян, Бумбат, Туул и пр.) отличаются только отсутствием элемента «Уборщицы».

arh1.tif

Рис. 1. Онтологическая модель станции Амгалан

arh2.tif

Рис. 2. Онтологическая модель станций 4 класса

На модели представлено два типа отношений – «руководит» и «включает». Это обусловлено тем, что качество функционирования станции зависит от действий структурных составляющих – служб и подразделений, а также действий соответствующих руководителей. В данном случае – это начальник станции, дежурный и т.п.

Продукционное моделирование

В основу продукционной модели положены результаты работы [5]. В них онтологические отношения представлены нечеткими продукциями вида: «Если Не-Ci , то Не-C`», которые означают, что нефункциональность компонента C` определяется нефункциональностью иерархически подчиненного компонента Ci. Нечеткость (истинность продукции) выражается числом из интервала [0, 1], показывающим насколько утрата Ci снизит функциональность C`. Эту величину называем ценностью Ci для C`. Например, для компонента «Дежурный по станции» (ДС) подчиненными будут компоненты «Персонал_2» (П2) и «Станции» (Ст). Для компонента Ст – компоненты СтХт, СтХн, СтБн и т.п. Каждый из последних компонентов отождествляем с начальником соответствующей станции, который отвечает за неё.

Ценности можно задавать экспертно. Например, вводя систему оценок: ценность «нулевая» (утрата Ci не сказывается на C`), «Очень малая» (утрата Ci практически не влияет на C’), «Малая» (утрата Ci слабо влияет на C’) и так далее вплоть до «Ключевая» (прекращение функционирования Ci влечет прекращение функционирования C’). Если цену выставить затруднительно, можно действовать по принципу безразличия, задав ее равной 0.5. Каждое лингвистическое значение преобразуется в число из интервала [0, 1]: 0, 0,1, 0,3, …, 1, которое участвует в последующем оценивании. Количество продукций отвечает числу связей в онтологической модели.

Построение агрегированной оценки

Агрегированная оценка получается в ходе присоединенного логического вывода по правилу

¬ci, ¬ci > ¬c`+ ¬c`: ||¬c`||i =

= ||¬ci||*||¬ci > ¬c`||. (1)

Где ci и c`, соответственно, утверждения «Компонент Ci функционирует нормально» и «Компонент C` функционирует нормально»; ¬ – символ отрицания. Величина ||¬ci > ¬c`|| есть ценность компонента Ci для C`, как говорилось выше. Через двоеточие указана схема расчета истинности заключения на основе истинностей посылок (присоединенный вывод).

Необходимой частью вывода является процедура объединения свидетельств [10], которая в общем виде выглядит как

||¬c`|| = U(||¬c`||1, ||¬c`||2).

Здесь ||¬c`||1 и ||¬c`||2 – частные вклады в истинность ||¬c`||, обусловленные ущербами функционирования C1 и C2 соответственно; U(||¬c`||1, ||¬c`||2) – функция (закон) агрегирования, например – так называемая t-конорма, известная в нечеткой математике и применяемая для формализации дизъюнкции [11].

Вывод, как расчет агрегированной оценки, следует начинать с выставления аудиторских оценок исполнительным звеньям. Как и ценности, оценки можно выставлять в лингвистической форме с переводом в числовую. Например, вводя такие лингвистические значения:

– «превосходно» (числовое значение 1);

– «очень хорошо» (0,95);

– «хорошо» (0,85);

– «удовлетворительно» (0,7);

– «плохо» (0,45);

– «очень плохо» (0,15);

– «0» (0) – исполнительное звено не функционирует полностью.

Это коррелирует с принципами оцифровки лингвистических оценок в образовании.

В привычном 4-балльном оценивании {«отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «плохо»} оценки «превосходно» и «очень хорошо» соответствуют оценке «отлично», а оценки «плохо», «очень плохо» и »0», – оценке «плохо».

Отдельный вопрос – выбор функции объединения U(||¬c`||1, ||¬c`||2). Практикой накоплено немалое число способов агрегирования. Наиболее востребованными из них являются различные средние. В первую очередь – арифметическое среднее. Однако такое агрегирование не позволяет ввести понятие ключевого компонента, утрата которого ведет к утрате непосредственно зависящего от него компонента верхнего уровня иерархии [5]. В то же время очевидно, что подобные компоненты могут являться частью любой достаточно сложной системы. Для их учета в [5] рекомендуется пользоваться функциями – t-конормами. Примерами таких норм выступают известные выражения: x + y - xy, min(x, y), max(1, x + y). Существуют и другие [11]. В данном случае представляется целесообразным пользоваться функцией

U(||¬c`||1, ||¬c`||2) = min(||¬c`||1, ||¬c`||2).

Это означает, что общий ущерб функциональности компонента С` будет определяться наихудшей из его составляющих (в данном случае компонентами C1 и C2) с учетом их ценности. Это может определенным образом стимулировать руководство станции (а в более широком контексте – производственной системы) к внимательному отношению ко всем её составляющим.

Следует отметить и то, что подобное агрегирование означает использование «закона наименьших» – одного из основных законов существования многих естественных и социальных систем [12].

Пример. Для примера рассмотрим какую-либо из подчиненных станций 5 класса. Предположим, что ценности выглядят так:

||¬ДСт > ¬НСт|| = 1;

||¬П > ¬НСт|| = 0,5;

||¬МС > ¬ДСт|| = 0,7;

||¬П > ¬ДСт|| = 1;

||¬МЭ > ¬П|| = 0,8;

||¬БПЧ > ¬П|| = 0,8;

||¬ПРС > ¬БПЧ|| = 0,7;

||¬РП > ¬БПЧ|| = 1.

Здесь 1 означает, что соответствующий компонент является ключевым. Например, для ||¬ДСт > ¬НСт|| = 1 это означает, что невыполнение дежурным по станции своих должностных обязанностей означает невыполнение должностных обязанностей начальником станции.

Отметим, что хотя согласно онтологии дежурный по станции и её начальник руководят персоналом совместно, влияние дежурного больше, так как он отвечает за оперативное обеспечение перевозочного процесса.

Пусть далее, аудиторская оценка показателей работы исполнительных звеньев РП (рабочий-путеец), ПРС (рабочий-путеец по ремонту сетки), МЭ (механик по СЦБ и энергообеспечению) и МС (механик по связи) дала значения 0,9, 0,9, 0,8, 0,9 соответственно. Расчет согласно (1) дает следующие значения:

||¬БПЧ||1 = ||¬РП||×||¬РП > ¬БПЧ|| = (1-0,9)×1 = 0,1;

||¬БПЧ||2 = ||¬ПРС||×||¬ПРС > ¬БПЧ|| = (1-0,9)×0,7 = 0,07.

Объединение по формуле (2) с использованием t-конормы max(…) приводит к результату:

||¬БПЧ|| = max(||¬БПЧ||1, ||¬БПЧ||2) = max(0.1, 0.07) = 0.1.

Аналогично и в остальных случаях:

||¬П||1 = ||¬БПЧ||×||¬БПЧ > ¬П|| = 0,1×0,8 = 0,08;

||¬П||2 = ||¬МЭ||×||¬МЭ > ¬П|| = (1-0,8)×0,8 = 0,16;

||¬П|| = max(0,08, 0,16) = 0,16;

||¬ДСт||1 = ||¬П||×||¬П > ¬ДСт|| = 0,16×1 = 0,16;

||¬ДСт||2 = ||¬МС||×||¬МС > ¬ДСт|| = (1-0,8)×0,7 = 0,14;

||¬ДСт|| = max(0,16, 0,14) = 0,16;

||¬НСт||1 = ||¬П||×||¬П > ¬НСт|| = 0,16×0,5 = 0,08;

||¬НСт||2 = ||¬ДСт||×||¬ДСт > ¬НСт|| = 0,16×1 = 0,16;

||¬НСт|| = max(0,08, 0,16) = 0,16;

Принимая во внимание, что

||с|| + ||¬с|| = 1;

получаем

||НСт|| = 1 - ||¬НСт|| = 0,84.

Если переходить к 7-балльной оценке, например, согласно правилу:

– «превосходно» – интервал [1, 1];

– «отлично» (0,9, 1);

– «хорошо» (0,7, 0,9];

– «удовлетворительно» (0,45, 0,7];

– «плохо» (0,15, 0,45];

– «очень плохо» (0, 0,15];

– «0» [0, 0];

получается оценка «хорошо». Как уже говорилось, для реализации таких процедур следует использовать продукционную экспертную систему. Тогда расчет выглядит как вывод в подобной системе.

Заключение

В работе на примере станции Улан-Баторской железной дороги обсуждается один из возможных подходов к агрегированному оцениванию качества функционирования производственных систем. В основе лежит описание станции с помощью онтологий с последующим переходом к нечеткой продукционной базе знаний и расчетом агрегата в ходе присоединенного логического вывода. Расчет выполняется с использованием технологии экспертных систем. Он начинается с выставления первоначальных оценок функциональным элементам (исполнительным звеньям) производственной системы и завершается оценкой системы в целом, которая выглядит как степень истинности высказывания «Система S функционирует нормально» по шкале [0, 1]. При необходимости оценка может быть переведена в лингвистическую.

Обсуждаются способы выставления первоначальных оценок функциональным элементам, вопросы задания ценностей компонентов и выбора агрегирующей функции.

Дополнительным удобством служит то, что в случае изменения структуры производственной системы и взглядов на значимость (ценность) отдельных компонентов нет необходимости изменять соответствующее программное обеспечение. Достаточно только отредактировать базу знаний.