ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАН ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОНЯТИЙНОЙ СИСТЕМЫ СУБЪЕКТА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ Александр Кулинич ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМНОЙ ОБЛАСТИ КАК ОБЪЕКТА АНАЛИЗА И ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ Слабо структурированные динамические ситуации - это ситуации, в которых структура ситуации плохо определена, а ее основные характеристики – значения факторов и зависимости между ними определены качественно Методология когнитивного моделирования Методология поддержки принятия решений в плохо определенных динамических ситуациях, основанная на моделировании знаний экспертов Модель представления знаний о ситуации Когнитивная карта КОГНИТИВНАЯ КАРТА Толман Е. С. («Cognitive maps in rats and men» - «Когнитивные карты крыс и людей», 1948)) Когнитивная карта – это психологическая модель (модель знаний) для ориентации в пространстве Аксельрод Р. (Axelrod, R., 1976. Structure of Decision. The Cognitive Maps of Political Elites - «Структура решений. Когнитивные карты политических элит») Когнитивная карта – это психологическая модель (модель знаний) системной динамики объекта или ситуации Когнитивная карта (причинно-следственная карта) – это модель представления знаний, в которой параметры ситуации – факторы (характеристики) ситуации представлены в виде узлов орграфа, а дуги определяют причинно-следственные отношения между факторами двух типов. КОГНИТИВНАЯ КАРТА Причинно-следственные отношения А А + - В В Положительная связь – увеличение (уменьшение) значения фактора-причины А, увеличивает (уменьшает) значение фактора-следствия В Отрицательная связь – увеличение (уменьшение) значения фактора-причины А, уменьшает (увеличивает) значение фактора-следствия В КОГНИТИВНАЯ КАРТА СИТУАЦИИ Поддержка населением США военной акции 1 Протесты населения США против + военной акции + 2 5 3 Жертвы среди мирного населения Ирака 12 + + 4 Активность военных действий + Военные потери Ирака 8 11 13 Военные потери США + + Протестное движение в мире + Наземная операция 6 + Применение тяжелой артилерии и ракет - + + - Международный авторитет США Вероятность осуществеления э кономических интересов США в Ираке + + + 10 + + Бюджет США + - 9 Уровень разрушений в Ираке 7 16 - + - - 15 - Позиция России по Ираку + 28 + 25 - Поддержка населением России позиции по Ираку + + + 24 20 - Экономические связи России с США + 22 26 Вероятность осуществеления экономических интересов России в Ираке + 27 Бюджет + Вероятность осуществеления экономических и нтересов Германии и Франции в Ираке + + Экономические связи 19 Германии и Франции с США - - + + + 29 + Позиция Германии и Франции по Ираку + + + 18 Продолжительность военной операции Вероятность победы США 14 Поддержка населением Германии и Франции 17 позиции по Ираку Национальная безопасность РФ 23 Международный авторитет Германии и Франции + 21 Бюджет Политические интересы России в отношении США Международный авторитет России Основные методы анализа когнитивных карт Задача получения прогноза Прямая задача: Спрос Цена Обратная задача: Цена ? ? Что будет, Если Вырастет «Цена» То Упадет «Спрос» Задача управления Что сделать, Чтобы Вырос «Спрос»? Спрос Уменьшить «Цену» Методология когнитивного моделирования Представления о неструктурированной ситуации Поддержка населением США военной акции 1 Протесты населения США против + военной акции + 2 5 + + 4 Активность + + + военных Жертвы среди действий + мирного населения Ирака 12 + Военные потери+ + Ирака + + 13 + Военные потери США - 9 Уровень разрушений + в Ираке + 7 + - - Вероятность осуществеления экономических и + нтересов Германии и Франции в Ираке + + + Экономические связи Германии и Франции с США 19 + + -+ 15 - Позиция России + по Ираку + 28 + + + - + 18 +- - + Позиция Германии и Франции по Ираку 16 + + + + - Вероятность + победы США 14 + - + Продолжительность военной операции Поддержка населением Германии и Франции 17 позиции по Ираку + + + -Протестное движение в мире + Наземная операция - 6 + Применение тяжелой артилерии и ракет - 8 11 + + Вероятность осуществеления э + кономических интересов США в Ираке + + + + 10 - Международный авторитет США + 3 + Бюджет США + + 25 - + Поддержка населением России позиции по Ираку + + + + + + - + + + + Экономические связи России с США 24 + - 20 + - Международный + авторитет Германии и Франции + 22 26 Вероятность осуществеления + экономических интересов России в Ираке + + 27 + Бюджет + + 29 Национальная безопасность РФ + 23 + + 21 Бюджет Политические интересы России в + +отношении США Международный авторитет России Методология структуризации ситуации: 1) Аксельрод (Анализ ситуации) 2) Иден (Репертуарное тестирование) Рабочая когнитивная карта Поддержка населением США военной акции 1 Когнитивная карта (причинно-следственный) орграф Протесты населения США против + военной акции + 2 5 3 + + Жертвы среди мирного населения Ирака 12 Военные потери Ирака + + + Применение тяжелой артилерии и ракет - 4 Активность военных действий + 8 + + 11 13 Военные потери США + 10 - Международный авторитет США + Вероятность осуществеления э кономических интересов США в Ираке + + Бюджет США + + - 9 Уровень разрушений в Ираке 17 Протестное движение в мире + Наземная операция 6 7 16 - + - - 15 + 28 + 25 - Поддержка населением России позиции по Ираку + + + 24 20 - Экономические связи России с США + 22 26 Вероятность осуществеления экономических интересов России в Ираке + 27 Бюджет + Вероятность осуществеления экономических и нтересов Германии и Франции в Ираке + + Экономические связи 19 Германии и Франции с США - - + + - Позиция России по Ираку + Позиция Германии и Франции по Ираку + + + 18 Продолжительность военной операции Вероятность победы США 14 - Поддержка населением Германии и Франции позиции по Ираку 23 Международный авторитет Германии и Франции + 21 Бюджет Политические интересы России в отношении США Международный авторитет России + 29 Национальная безопасность РФ Анализ ситуации •Прогноз развития ситуации •Поиск решений для управления ситуацией Сравнение, интерпретация, объяснение результатов анализа (прогнозов и решений) Понятийная система Понятийная система – это субъективное пространство отражения, включающее множество понятий, определяющих субъективный диапазон отражения, в рамках которого возможны разного рода мысленные перемещения. Структура понятийной системы Иерархичность; Базовый уровень понятий; Динамичность; Встроенные механизмы модификации понятий. Кластерная понятийная система – это понятийная система, состоящая из понятийных кластеров. Понятийный кластер – это множество понятий, связанных отношением «класс-подкласс». Структурные характеристики понятийных систем Структурные характеристики понятийных систем определяют уровень интеллекта субъекта. Для оценки структурных характеристик понятийной системы разработаны тесты, позволяющие получить интегральные показатели структурной организации понятийной системы: 1) Показатель когнитивной сложности – учитывает число понятий, включенных в понятийную систему (Kelly, 1963); 2) Показатель интегрированности-дифференцированности - оценивает число и связность понятий в понятийной системе (Langley, 1971); 3) Показатель абстрактности-конкретности – оценивает соотношение конкретных и абстрактных понятий в понятийной системе (Harvey, .. 1961); 4) Показатель концептуальной сложности – оценивает развитость правил комбинации, сравнения и интерпретации понятий в понятийной системе (Schroder, …, 1971). Понятийный кластер Модель понятия: (di , F(di), V(di) ), где di - имя понятия; F(di) - содержание понятия; V(di) - объем понятия Понятие di1 обобщает понятие di2 (di1>di2), если F(di1)F(di2) и V(di1)V(di2) di1 - Суперконцепт (обобщение концепта) ; di2 - концепт Пример: прямоугольный треугольник – это: 1) плоская геометрическая фигура; 2) ограничена тремя сторонами; 3) один угол прямой Геометрическая фигура 0,0,0 Плоская геометрическая 1,0,0 фигура 0,1,0 Геометрическая фигура с прямым углом 0,0,1 Геометрическая фигура Геометрическая фигура с прямым углом Многоугольники Треугольники Треугольники 1,1,0 Тупоугольные, остроугольные 1,0,1 Прямоугольные многоугольники 1,1,1 Прямоугольные треугольники 0,1,1 Прямоугольные треугольники Многоугольники с прямым углом Понятийная система ситуации РЫНОК 1. цены на товары и услуги (f11), 2. структура рынка (f12), 3. дефицит товаров или услуг (f13). 1 2 3 ПРОИЗВОДИТЕЛИ 4. совокупный объем производства (f21), 5. количество фирм производителей (f22), 6. прибыль производителей (f23), 7. цены на сырье (f24), 8. зарплата (f25). ПОТРЕБИТЕЛИ 9. совокупный спрос (f31). 10. уровень доходов (f32). В понятийной системе представлена структурно-функциональной декомпозиции ситуации D, U, 4 D={di} - множество элементов ситуации ГОСУДАРСТВО 11. уровень доходов государства Fi={fij} - множество признаков элемента di (41). 12. уровень налогов (f42), Zij={zijk} - множество значений признака 13. объем государственных инвестиций (f43). U - отношение «Часть - Целое» на D. 14. объем социальных трансфертов (f44). РЫНОК Цена Дефицит 1 + + 3 2 + Уровень конкуренции - + ПРОИЗВОДИТЕЛИ Совокупный объем производства 4 + Кол-во фирм производителей Цены на сырье Совокупная зарплата 6 11 8 9 + + ГОСУДАРСТВО Социальные трансферты Уровень налогов - 7 5 + ПОТРЕБИТЕЛИ + Совокупный спрос + + 12 + + 10 Уровень доходов Прибыль - + 13 + + 14 Уровень доходов государства Государственные инвестиции <di ,F(di), V(di)>, di - имя, F(di) - содержание, F(di)=(z1jk, …, znmk) V(di) - объем, V(di)={dq} Семантическое пространство SS(di)= Zij j SS(di)-Семантическое пространство понятия di Zij - Множество значений признаков понятия di Z2 Z2 d1 d1 d2 d3 а d4 d6 d5 Z1 Z1 Понятийная система 1) SS(D) ={SS(d1), …, SS(dn)} Рынок d1 2) SS(D), U 3) SS(di) U SS(dq) di SS(di), dq SS(dq) di U dq. Часть - Целое Часть - Целое Часть - Целое d4 d2 d3 Производители Потребители Государство Понятийный кластер в семантическом пространстве Базовое понятие dB=“Голубь”, FB=(Z10,Z20), Травоядные Z10=(Питается насекомыми Z20={40см.- 55см} T(dB)=Z10Z20 Хищность и растительной пищей), Питается насекомыми и растительной пищей Голубь Питается насекомым и Питается грызунами и т.д. 100 см. 70 см. 40 см. 10 см. Размер (размах крыльев) Обобщение базового понятия по признаку «Размах крыльев» dB1 = Птицы, питающиеся насекомыми и растительной пищей. Травоядные FB1=(Z10,Z2), (T(dB)T(dB1)) VB1={Голубь, Попугай, Попугайчик}. Питается насекомыми и растительной пищей Хищность T(dB1)= Z10Z2, Голубь Попугай Попугайчик Питается насекомым и Питается грызунами и т.д. 100 см. 70 см. 40 см. 10 см. Размер (размах крыльев) Обобщение базового понятия по признаку «Хищность» dB2=“Птицы среднего размера” Травоядные FB2 =(Z1, Z20), VB2={Голубь, Сойка}. Питается насекомыми и растительной пищей Хищность T(dB2)=Z1 Z20, Голубь Питается насекомым и Сойка Питается грызунами и т.д. 100 см. 70 см. 40 см. 10 см. Размер (размах крыльев) Понятийный кластер в семантическом пространстве (обобщенное понятие по признакам «Хищность» и «Размах крыльев») dB3 = “Птицы”, FB3=(Z1,Z2), 1Z2, (T(dB)T(dB3)) VB3={Гусь, Утка, Курица, Голубь, Попугай, Попугайчик, Сойка, Орел, Ястреб} Гусь Утка Курица Питается насекомыми и растительной пищей Хищность T(dB3)=Z Травоядные Голубь Попугай Попугайчик Питается насекомым и Малиновка Сойка Ястреб Питается грызунами и т.д. 100 см. Воробей Кардинал Орел 70 см. 40 см. 10 см. Размер (размах крыльев) Понятийный кластер в семантическом пространстве Число обобщений базового понятия, содержащего m признаков равно H=2m-1 4 dB2=“Птицы среднего размера” FB2 =(Z1, Z20), T(dB2)=Z1 Z20, 3 VB2={Голубь, Сойка}. dB3 = “Птицы”, FB3=(Z1,Z2), T(dB3)=Z1Z2, (T(dB)T(dB3)) VB3={Гусь, Утка, Курица, Голубь, Попугай, Попугайчик, Сойка, Орел, Ястреб} 2 1 dB=“Голубь”, FB=(Z10,Z20), Z10=(Питается насекомыми и растительной пищей), Z20={40см.- 55см} T(dB)=Z10Z20 dB1 = Птицы, питающиеся насекомыми и растит. пищей FB1=(Z10,Z2), T(dB1)= Z10Z2, (T(dB)T(dB1)) VB1={Голубь, Попугай, Попугайчик}. Т.е. Выделяются подпространства, которые легко интерпретируются Правило модификации понятия в понятийной системе Если в процессе получения прогнозов развития ситуации значение любого признака любого понятия вышло за пределы области толерантности их базового понятия, то образуется новое понятие, обобщающего исходное базовое понятие по признаку, значение которого вышло за пределы области толерантности. RM:X(t) (SD(t), SF(t), SV(t)), где RM=(RMi) – вектор правил модификации базового понятия diB в обобщенное понятие diBh, i (SD(t), SF(t), SV(t)) - состояние понятийной системы Посылка 1: diB, F(diB)={fijB}, T(diB)= Zij0 i, j Посылка 2: dq=(zijk,…, zilk,…,zijk), dq SS(D), zilkZil0 Zij0Zil, zilkZil0 Следствие: diBh , F(diBh)={fijB}, j, jl, T(diBh)= i, j j l Динамика в понятийных системах Представление ситуации в кластерной понятийной системе A(исходное состояние) Декомпозиция ситуации «Часть-Целое» dA D А DB S S DC dA1 {} dB3 dB В С dC dB1 dB2 {fB1} dA2 {fA1} dA {fB2} c1 a1 dB В c2 DA dC0 А DA {} С {fC1, f C2} dA1 {} {fB2} dB2 {fB1, f B2} S {fA1} dA А DB DC dB3 {} dA3 DB В {fC2} S {fB1, f B2} dA3 dB dC2 {fC1} Обобщенное состояние понятийной системы обобщено базовые понятия В и С Обобщенное состояние понятийной системы обобщено базовое понятие В {fB1} dC1 {} dC3 a2 b2 dB1 {fA2} {fA1, f A2} S b1 А {} dA3 dA2 {fA2} {fA1, f A2} dC1 DC dA1 {} {} dB3 dC3 {fB2} S dC2 {fC1} dC0 {fC1, f C2} С {fC2} dB1 dB2 {fB1} dB {fB1, f B2} В S {fA1} dA dA2 {fA2} {} dC3 {fA1, f A2} S dC1 dC2 {fC1} dC0 {fC1, f C2} С {fC2} Творческие процессы, процессы научного поиска, бессознательное, «краевое сознание» (Выготский Л.С., Психология искусства, 1968) «Через сознание мы проникаем в бессознательное, мы можем организовать сознательные процессы так, чтобы через них вызвать процессы бессознательные» и происходит это потому, что «… бессознательное не отделено от сознания какой-то непроходимой стеной. Процессы, начинающиеся в нем, имеют часто свое продолжение в сознании, и, наоборот, многое сознательное вытесняются нами подсознательную сферу» (Сухотин А.Н., Парадоксы науки, 1980) Психологи «… выделяют область так называемого «краевого сознания». Здесь сосредоточена основная масса сведений, в настоящей момент не вовлеченных в дело, не принимающих активного участия в научном поиске. Собственно, это и есть бессознательное, но оно непосредственно соприкасается с сознанием, находится в его распоряжении в конечном счете обслуживает его» (Цитата по Сухотину А.Н., Парадоксы науки, 1980) Так, «Ж. Адамар называет сферу бессознательного большой «прихожей» сознания», Д. Гальтон – приемной вельможи, где в ожидании аудиенции толпятся многочисленные посетители». СТРУКТУРИЗАЦИЯ РЕШЕНИЙ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ В ПОНЯТИЙНОЙ СИСТЕМЕ КЛАСС РЕШЕНИЙ Ud2 КЛАСС РЕШЕНИЙ Ud1 U10 U d4 U2 Ud 3 U3 X2 U5 U4 U8 U6 U7 d B2 - «Класс решений 3" F(d B2 ) = (X 1 , X 2 B ) T(d B2 ) = X 1 x X 2 B T(d B ) T(d B2 ) d B1 - " Класс решений 2" F(d B1 )= (X 1 B , X 2 ) T(d B1 ) = X 1 B x X 2 Ò(d B ) Ò(d B1 ) d B - «Класс решений 1" F(d B ) = (X 1 B , X 2 B ) T(d B ) = X 1 B x X 2 B X1 X1B U d2 U d1 U9 КЛАСС РЕШЕНИЙ Ud4 B3 ) U11 U1 X2B d B3 - «Класс решений 4" F(d B3 ) = (X 1 , X 2 ) T(d B3 ) = X 1 x X 2 T(d B1 ) T(d B3 ), T(d B2 ) T(d КЛАСС РЕШЕНИЙ Ud3 ПРИМЕР ГЕНЕРАЦИИ СТРУКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ РЫНОК 1. цены на товары и услуги (f11), 2. структура рынка (f12), 3. дефицит товаров или услуг (f13). 1 2 3 ГОСУДАРСТВО 11. уровень доходов государства (41). 12. уровень налогов (f42), 13. объем государственных инвестиций (f43). 14. объем социальных трансфертов (f44). ПОТРЕБИТЕЛИ 9. совокупный спрос (f31). 10. уровень доходов (f32). ПРОИЗВОДИТЕЛИ 4. совокупный объем производства (f21), 5. количество фирм производителей (f22), 6. прибыль производителей (f23), 7. цены на сырье (f24), 8. зарплата (f25). РЫНОК 4 ПРОИЗВОДИТЕЛИ ПОТРЕБИТЕЛИ ГОСУДАРСТВО + + Совокупный объем производства Цена Дефицит 1 + 3 + + 4 Кол-во фирм производителей + 2 - 7 Совокупная зарплата + 6 11 8 9 Совокупный спрос + 10 Уровень доходов Прибыль - + 13 + + + 12 + + - Социальные трансферты Уровень налогов - 5 + Уровень конкуренции Цены на сырье + 14 Уровень доходов государства Государственные инвестиции Задано: Когнитивная карта; Шкалы всех признаков; Начальное состояние; Базовые понятия (интервалы толерантности базовых понятий) Цель управления: Увеличить «Уровень доходов государства» на 10 % «Доходы потребителя» на 20 % Управляющие факторы: Совокупный объем производства (ресурс – р4) Уровень налогов (ресурс – р11) Социальные трансферты (ресурс – р13) Государственные инвестиции (ресурс – р14) Результаты решения обратной задачи В результате решения обратной задачи получено 21 решение: • 3 решения реализуемые • 18 решений нереализуемые После отображения этих решений в понятийную систему ситуации получено 6 классов решений: •1 класс содержит десять решений обратной задачи •2 и 3 классы содержат по два решения •4 класс содержит пять решений •5 и 6 классы по одному решению ПРЕДСТАВЛЕНИЕ КЛАССОВ РЕШЕНИЙ ПРИМЕРА В ПОНЯТИЙНОЙ СИСТЕМЕ Класс решений 5 10101 11 1111) SF5*=(111 Класс решений 4 11101 11 1111) SF4*=(111 Класс решений 6 10111 11 1111) SF6*=(101 Класс решений 3 10111 11 1111) SF3*=(111 Класс решений 1 11111 11 1111) SF1*=(111 Класс решений 2 11111 11 1111) SF2*=(101 Анализ решений Реализуемые решения: 1) Увеличить «Совокупный объем производства» на 66 % (это увеличит доходы населения на 20%), и сократить «Социальные трансферты» на 10% (это приведет к росту доходов государства на 10 %) 2) Увеличить «Совокупный объем производства» на 66 % и сократить «Государственные инвестиции» на 10 % 3) Увеличить «Совокупный объем производства» на 66 % и увеличить «Уровень налогов» на 10 % Нереализуемые решения: Класс решений 2. За пределы области толерантности базового понятия вышло значение признака «Уровень конкуренции» от «Конкуренция» до «Монополия». Объект-стимул – рыночная структура с картельным соглашением по ценам Структурное решение – удалить из орграфа вершину «Уровень конкуренции» Реализация решения – увеличить квоты на производство и приостановить действие антимонопольного законодательства в этой отрасли Структуризация в функциональной структуре РЫНОК 1. цены на товары и услуги (f11), 2. структура рынка (f12), 3. дефицит товаров или услуг (f13). 1 Кластерная понятийная система понятия "Рынок" Понятийный кластер понятия "Государство" Понятийный кластер понятия "Рынок" 0000 0001 2 3 ПРОИЗВОДИТЕЛИ 4. совокупный объем производства (f21), 5. количество фирм производителей (f22), 6. прибыль производителей (f23), 7. цены на сырье (f24), 8. зарплата (f25). 0101 0011 ГОСУДАРСТВО 11. уровень доходов государства (41). 12. уровень налогов (f42), 13. объем государственных инвестиций (f43). 14. объем социальных трансфертов (f44). 0100 000 1000 Часть - Целое 4 ПОТРЕБИТЕЛИ 9. совокупный спрос (f31). 10. уровень доходов (f32). 0010 0111 0110 0000 1001 1011 1010 1110 100 010 001 110 101 011 1100 1101 Часть - Целое 111 1111 Понятийный кластер понятия "Производители" Часть - Целое 000 00 000 01 0 000 10 0 001 000 00 0 010 000 00 0 100 00 РЫНОК Цена Дефицит 1 + 000 11 001 01 010 01 100 01 001 10 010 10 100 10 011 00 101 00 110 00 001 11 010 11 100 11 011 01 101 01 110 01 011 10 101 10 111 00 011 01 Понятийный кластер понятия "Потребители" 3 10 11 + 2 + 011 000 11 0 Уровень конкуренции 101 000 11 0 110 000 11 0 111 11 + ПРОИЗВОДИТЕЛИ Совокупный объем производства 4 + Кол-во фирм производителей 6 Производители 3 4 6 5 Потребители 7 9 8 Государство 10 11 12 11 + 13 14 Социальные трансферты Уровень налогов - 11 8 9 + + 2 Признаки базового понятия 7 Совокупная зарплата Рынок ГОСУДАРСТВО 1 Цены на сырье 5 + ПОТРЕБИТЕЛИ + 00 111 10 01 - - 111 000 01 0 Совокупный спрос + + 10 Уровень доходов Прибыль - + + + 1 + 3 + - 4 8 12 + + 13 + + + Уровень доходов государства 7 + + + 2 6 14 Государственные инвестиции - 9 + 5 + - Функциональная система + 13 + - 12 + + 10 - 14 +