Обзор экспертных систем

Классификация по степени интеграции с другими программами подразделяется на: автономные и гибридные. Автономные ЭС работают непосредственно в режиме консультаций с пользователем для специфически «экспертных» задач, для решения которых не требуется привлекать традиционные методы обработки данных (расчеты, моделирование и т.д.). Гибридные ЭС представляют программный комплекс, агрегирующий стандартные пакеты прикладных программ (например, математическую статистику, линейное программирование или системы управления базами данных) и средства манипулирования знания. Это может быть интеллектуальная надстройка над ППП или интегрированная среда для решения сложной задачи с элементами экспертных знаний.

1.5 Области применения экспертных систем

Экспертные системы в настоящее время применяются в следующих областях: военное дело, геология, инженерное дело, информатика, компьютерные системы, космическая техника, математика, медицина, метеорология, промышленность, сельское хозяйство, управление процессами, физика, химия, электроника, юриспруденция. Области применения систем, основанных на знаниях, могут быть сгруппированы в несколько основных классов: медицинская диагностика, контроль и управление, диагностика неисправностей в механических и электрических устройствах, обучение.

1. Медицинская диагностика. Медицина наиболее популярна, именно в этой области было разработано больше ЭС, чем во всякой другой. Диагностические системы используются для установления связи между нарушениями деятельности организма и их возможными причинами. Наиболее известна диагностическая система MYCIN, которая предназначена для диагностики и наблюдения за состоянием больного при менингите и бактериальных инфекциях. Ее первая версия была разработана в Стенфордском университете в середине 70-х годов. В настоящее время эта система ставит диагноз на уровне врача-специалиста. Она имеет расширенную базу знаний, благодаря чему может применяться и в других областях медицины.
2. Прогнозирование. Прогнозирующие системы предсказывают возможные результаты или события на основе данных о текущем состоянии объекта. Программная система «Завоевание Уолл-стрита» может проанализировать конъюнктуру рынка и с помощью статистических методов алгоритмов разработать для вас план капиталовложений на перспективу.
3. Планирование. Планирующие системы предназначены для достижения конкретных целей при решении задач с большим числом переменных. Дамасская фирма Informat впервые в торговой практике предоставляет в распоряжении покупателей 13 рабочих станций, установленных в холле своего офиса, на которых проводятся бесплатные 15-минутные консультации с целью помочь покупателям выбрать компьютер, в наибольшей степени отвечающий их потребностям и бюджету. Кроме того, компания  Boeing применяет ЭС для проектирования космических станций, а также для выявления причин отказов самолетных двигателей и ремонта вертолетов. Экспертная система  XCON, созданная фирмой DEC, служит для определения или изменения конфигурации компьютерных систем типа VAX и в соответствии с требованиями покупателя. Фирма DEC разрабатывает более мощную систему XSEL, включающую базу знаний системы XCON, с целью оказания помощи покупателям при выборе вычислительных систем с нужной конфигурацией.
4. Интерпретация. Интерпретирующие системы обладают способностью получать определенные заключения на основе результатов наблюдения. Система PROSPECTOR, одна из наиболее известных систем интерпретирующего типа, объединяет знания девяти экспертов. Используя сочетания девяти методов экспертизы, системе удалось обнаружить залежи руды стоимостью в миллион долларов, причем наличие этих залежей не предполагал ни один из девяти экспертов. Другая интерпретирующая система- HASP/SIAP. Она определяет местоположение и типы судов в тихом океане по данным акустических систем слежения.
5. Контроль и управление. Системы, основанные на знаниях, могут применятся в качестве интеллектуальных систем контроля и принимать решения, анализируя данные, поступающие от нескольких  источников. Такие системы уже работают на атомных электростанциях, управляют воздушным движением и осуществляют медицинский контроль. Они могут быть также полезны при регулировании финансовой  деятельности предприятия и оказывать помощь при выработке решений в критических ситуациях.
6. Диагностика неисправностей в механических и электрических устройствах. В этой сфере системы, основанные на знаниях, незаменимы как при ремонте механических и электрических машин (автомобилей, дизельных локомотивов и т.д.), так и  при устранении неисправностей и ошибок в аппаратном и программном обеспечении  компьютеров.
7. Обучение. Системы, основанные на знаниях, могут входить составной частью в компьютерные системы обучения. Система получает информацию о деятельности некоторого объекта (например, студента) и анализирует его поведение. База знаний изменяется в соответствии с поведением объекта. Одной из наиболее интересных обучающих ЭС является разработанная Д.Ленатом система EURISCO, которая использует простые эвристики.

Большинство  ЭС включают знания, по содержанию которых их можно отнести одновременно к нескольким типам. Например, обучающая система.

2 Обзор существующих экспертных  систем

2.1 MicroMedex COMPUTERIZED CLINICAL INFORMATION SYSTEM

Это клиническая информационная система разработана фирмой MicroMedex, Inc.. Доступна на WEB для пользователей PC, и системы SCO UNIX для терминальных пользователей CHCS

MicroMedex COMPUTERIZED CLINICAL INFORMATION SYSTEM (R) имеет  шесть отдельных баз данных  и Общий раздел Информации, которые  содержат информацию о лекарствах, данные токсикологии, информацию о неотложной помощи, и об оказании помощи при несчастных случаях, в том числе отравлениях наркотиками, ядами, лекарственными препаратами (идентификация, оценка доз, диагностика, лечение).

Система содержит следующие разделы:

1. IDENTIDEX. Помогает идентифицировать фармацевтические препараты по коду упаковки, цвету и форме.
2. POISINDEX. Помогает идентифицировать компоненты для сотен тысяч коммерческих, фармацевтических, и биологических субстанций. Предоставляет информацию об этих субстанциях.
3. DRUG-REAX. Позволяет проверять назначенные медикаменты на предмет взаимодействия компонентов лекарства, их эффектов, и клинического значения. Обеспечивает проверку лекарство-лекарство, лекарство-пища, лекарство-болезнь, и лекарство-лаборатория оценивает взаимодействия, вместе с предшествующими аллергическими реакциями.
4. DRUGDEX. Предоставляет информацию о дозировке лекарств, фармакологических свойствах, противопоказаниях, взаимодействии с другими препаратами. Оценивает сравнительную эффективность лекарств, произведенных в соединенных Штатах и за рубежом.
5. TOMES. Обеспечивает полезную информацию для обращения с пациентами, подвергнутыми потенциальной токсичной и химической опасности. Подробная информация для благополучно управления на химически опасном рабочем месте предусматривается вместе с данными, необходимыми для оценки химических воздействий в соответствии с государственными нормами США.
6. EMERGINDEX. Обеспечивает инструкции для оказания неотложной помощи. Включает соответствующее клиническое представление, лабораторные и диагностические сведения, и ответы на специфические вопросы.
7. AFTERCARE: INJURY/INDEX. Предоставляет легкое для понимание описание основных принципов для самолечения и реабилитации пациентам, выписанным из клиник, или получившим медикаменты из аптеки.
8. REPRORISK. Содержит информацию о степенях риска для функции репродуцирования, которая помогает профессионалам в оценке риска применения тех или иных лекарств, химических веществ, медицинских осмотров и агентов окружающей среды для будущих родителей и детей.
9. MARTINDALE. Электронная версия MARTINDALE руководства, которое публиковалось Королевским Фармацевтическим Обществом Великобритании. Содержит расширенную информацию о международных производителях лекарств, продуктов и субстанций.
10. U.S. PHARMACEUTICAL MATERIAL SAFETY DATA SHEETS. Электронная версия более чем 1,000 MSDS (выпуск U.S. Pharmacopeial Convention). Предлагает быстрый доступ к информации о лекарствах и химических веществах, включая риски здоровья, процедуры обработки, государственные нормы и т.д.

Система доступна зарегистрированным пользователям для использования на WEB.

2.2 Семейство экспертных  систем SIMER+MIR

Инструментальные программные средства SIMER (System for Intelligence Medical Research) и MIR (Medical Intelligence Reasoning) для построения медицинских экспертных систем разработаны в Институте программных систем Российской Академии Наук.

На основе использования инструментальных средств SIMER и MIR Центральным институтом травматологии и ортопедии им.Н.Н.Приорова совместно с Институтом программных систем РАН построено семейство экспертных систем в области травматологии, спортивной медицины и в смежных областях.

ЭС «Дифференциальная диагностика и лечение повреждений и заболеваний стопы» предназначена для диагностики и выработки рационального плана лечения следующих заболеваний:

• закрытые переломы костей стопы;
• несвежие и застарелые повреждения стопы;
• вывихи и переломовывихи костей стопы;
• ожоги и холодовые повреждения стопы;
• посттравматические деформации стопы;
• обменные повреждения стопы;
• деформирующий артроз костей стопы;
• поражение стопы при диабете;
• поражения стопы при острой хирургической инфекции и другие.

Система содержит более тысячи нозологических форм, диагностических признаков и симптомов, снабжена блоком моделирования рассуждений врача - диагноста и блоком объяснения своих рассуждений. Интерфейс пользователя поддерживает язык предметной области.

ЭС «Дифференциация диагностика и лечение закрытых повреждений коленного сустава и их последствий» предназначена для специалистов по спортивной и балетной травме, травматологов и хирургов. Она ориентирована на диагностику и лечение закрытых повреждений коленного сустава и их последствий.

ЭС «Дифференциальная диагностика костной патологии детского возраста» ориентирована на педиатров, специалистов по детской онкологии, детских травматологов-ортопедов. Она предназначена для дифференциальной диагностики опухолей, дисплазий и наследственных системных заболеваний костей у детей, а также метаболических остеопатий. Предусматривается возможность дифференциальной диагностики свыше 70 нозологических единиц.

ЭС «Интегрированная система мониторинга и поддержки принятия решений при массовом поступлении пострадавших при применении оружия массового поражения» осуществляет помощь в работе медицинскому персоналу различной квалификации в следующих областях:

• диагностика изолированных механических повреждений (черепно-мозговая травма, травмы груди, живота, опорно-двигательной системы);
• диагностика, прогнозирование и лечение травматического шока;
• диагностика сочетанных и комбинированных поражений;
• клиника повреждений различной локализации;
• методы оказания медицинской помощи пострадавшим;
• сортировка пораженных;
• профилактика и лечение осложнений травм различной локализации, поражений ионизирующей радиации.

Система содержит мощные графические средства, средства моделирования движений, возможности речевого ввода и вывода.

2.3 Системы MUD и MORE

Экспертная система MUD ориентирована на решение задач геологоразведки, в частности бурения скважин. Эта система является хорошим примером весьма эффективного использования метода эвристической классификации.

В системе MORE стратегия приобретения знаний связывается с используемыми методами решения проблем.

Как и в системе MYC1N, в MOD процесс приобретения знаний в основном ориентирован на установление отображения множества данных на множество решений. Однако в системе MYCIN другие виды знаний, например иерархические отношения между данными и абстрактными категориями решений, эвристики раскрытия пространства состояний и т.п., представлены в наборе правил только неявным образом. Подход, использованный при создании MUD и MORE, делает эти знания более явными, и в этом смысле существует определенное сходство между этими системами и системой OPAL. И там, и здесь используется промежуточное представление, которое играет роль модели предметной области.      

2.4 Оболочки экспертных систем

На раннем этапе становления экспертных систем проектирование каждой очередной системы начиналось практически с нуля, в том смысле, что проектировщики для представления знаний и управления их применением использовали самые примитивные структуры данных и средства управления, которые содержались в обычных языках программирования. В редких случаях в существующие языки программирования включались специальные языки представлений правил или фреймов.

Такие специальные языки, как правило, обладали двумя видами специфических средств:

• модулями представления знаний (в виде правил или фреймов);
• интерпретатором, который управлял активизацией этих модулей.

Совокупность модулей образует базу знаний экспертной системы, а интерпретатор является базовым элементом машины логического вывода. Невольно напрашивается мысль, что эти компоненты могут быть повторно используемыми, т.е. служить основой для создания экспертных систем в разных предметных областях. Использование этих программ в качестве базовых компонентов множества конкретных экспертных систем позволило называть их оболочкой системы.       

Примером такой оболочки может служить система EMYCIN, которая является предметно-независимой версией системы MYCIN, т.е. это система MYCIN, но без специфической медицинской базы знаний. Само название EMYCIN толкуется авторами системы как «Empty MYCIN» , т.е. пустая MYCIN. По мнению разработчиков, EMYCIN вполне может служить «скелетом» для создания консультационных программ во многих предметных областях, поскольку располагает множеством инструментальных программных средств, облегчающих задачу проектировщика конкретной экспертной консультационной системы. Она особенно удобна для решения дедуктивных задач, таких как диагностика заболеваний или неисправностей, для которых характерно большое количество ненадежных входных измерений (симптомов, результатов лабораторных тестов и т.п.), а пространство решений, содержащее возможные диагнозы, может быть достаточно четко очерчено.

Некоторые программные средства, впервые разработанные для EMYCIN, в дальнейшем стали типовыми для большинства оболочек экспертных систем. Среди таких средств следует отметить следующие.

• Язык представления правил. В системе EMYCIN такой язык использует систему обозначений, аналогичную языку ALGOL. Этот язык, с одной стороны, более понятен, чем LISP, а с другой — более строг и структурирован, чем тот диалект обычного английского, который использовался в MYCIN.
• Индексированная схема применения правил,  которая позволяет сгруппировать правила, используя в качестве критерия группировки параметры, на которые ссылаются эти правила. Так, правила, применяемые в MYCIN, разбиваются на группы: CULRULES — правила, относящиеся к культурам бактерий, ORGRULES - правила, касающиеся организмов, и т.д.
• Использование обратной цепочки рассуждений в качестве основной стратегии управления. Эта стратегия оперирует с И/ИЛИ - деревом, чьи листья представляют собой данные, которые могут быть найдены в таблицах или запрошены пользователем.
• Интерфейс между консультационной программой, созданной на основе EMYCIN, и конечным пользователем. Этот компонент оболочки обрабатывает все сообщения, которыми обмениваются пользователь и программа (например, запросы программы на получение данных, варианты решения, которые формирует программа в ответ на запросы пользователя, и т.п.).
• Интерфейс между разработчиком и программой, обеспечивающий ввод и редактирование правил, редактирование знаний, представленных в форме таблиц, тестирование правил и выполнение репрезентативных задач.