Экспертные системы - характеристика, назначение, основные компоненты, классификация

    Òðåòüÿ  ñåðüåçíàÿ òðóäíîñòü- â î÷åíü  áîëüøîé òðóäîåìêîñòè ñîçäàíèÿ  ÝÑ : òðåáóåòñÿ ðàçðàáîòàòü ñðåäñòâà  óïðàâëåíèÿ áàçîé çíàíèé, ëîãè÷åñêîãî âûâîäà, äèàëîãîâîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ïîëüçîâàòåëåì è ò.ä. Îáúåì ïîãðàììèðîâàíèÿ ñòîëü âåëèê, à ïðîãðàììû ñòîëü ñëîæíû è íåòðàäèöèîííû, ÷òî èìååò ñìûñë, êàê ýòî ïðèíÿòî ñåé÷àñ ïðè ðàçðàáîòêå áîëüøèõ ïðîãðàìì, íà ïåðâîì ýòàïå ñîçäàòü äåìîíñòðàöèîííûé ïðîòîòèï ñèñòåìû - ïðåäâàðèòåëüíûé âàðèàíò, â êîòîðîì â óïðîùåííîì âèäå ðåàëèçîâàíû ëèøü åå îñíîâíûå ïëàíèðóåìûå âîçìîæíîñòè è êîòîðàÿ áóäåò ñëóæèòü äëÿ çàêàç÷èêà ïîäòâåðæäíèåíèåì òîãî, ÷òî ðàçðàáîòêà ÝÑ äëÿ ðåøåíèÿ äàííîé çàäà÷è ïðèíöèïèàëüíî âîçìîæíà, à äëÿ ðàçðàáîò÷èêîâ- îñíîâîé äëÿ ïîñëåäóþùåãî óëó÷øåíèÿ è ðàçâèòèÿ ñèñòåìû. 

    Îäíîé  èç ïðè÷èí íåóäà÷ â ñîçäàíèè  ÝÑ ñòàëà íåäîîöåíêà àâòîðàìè  ÝÑ îáúåìîâ è ðîëè íåÿâíûõ  çíàíèé. Ñèñòåìû, áàçû çíàíèé êîòîðûõ  ñîçäàâàëèñü íà îñíîâå ñïðàâî÷íèêîâ, â ëó÷øåì ñëó÷àå òàê ñïðàâî÷íèêàìè è îñòàëèñü. Áîëüøèíñòâî æå òàêèõ ñèñòåì îêàçûâàëèñü äàæå õóæå ñïðàâî÷íèêîâ, òàê êàê ñêîâûâàëè èññëåäîâàòåëüñêóþ ìûñëü ïîëüçîâàòåëÿ. Âòîðûì  “óçêèì ìåñòîì” ÝÑ îêàçàëàñü ìîäåëü, íà êîòîðîé áûëè îñíîâàíû èõ ïåðâûå ýêçåìïëÿðû, è ëèøü ìîäåëü çíàíèé, ïðèíèìàþùàÿ âèä ïîðîãîâîé íàïðàâëåííîé èåðàðõè÷åñêîé ñåòè ñ âîçìîæíîñòüþ âûáîðà â êîíå÷íîì èç ëîãè÷åñêèõ óçëîâ (ãäå êàæäàÿ îòäåëüíàÿ ñèòóàöèÿ ïîõîæà íà äåðåâî ñ ëèñòüÿìè), ìîæåò ñòàòü áàçîé äëÿ ïîñòðîåíèÿ ÝÑ.

    Êîãäà ñòàëà î÷åâèäíîé ïîëíàÿ íåïðèãîäíîñòü ýòèõ ñèñòåì è ñîçäàííîãî äëÿ íèõ ñïåöèàëëèçèðîâàííîãî àïïàðàòíîãî îáîðóäîâàíèÿ, ìíîãèå îáîçðåâàòåëè ïðèøëè ê âûâîäó, ÷òî ñóùåñòâóþùàÿ òåõíîëîãèÿ ñîçäàíèÿ ÝÑ áûëà òóïèêîâûì íàïðàâëåíèåì â ðàçâèòèè èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé.  ïîñëåäíåå äåñÿòèëåòèå ÝÑ âîçðîäèëèñü â âèäå ñèñòåì ñ áàçîé çíàíèé, êîòîðûå òåñíî ïåðåïëåòàëèñü ñ ñóùåñòâóþùèìè äåëîâûìè ñèñòåìàìè. Èõ èñïîëüçóþò â çäðàâîîõðàíåíèè, ñòðàõîâàíèè, áàíêîâñêîì äåëå è äðóãèõ îáëàñòÿõ, ÷òîáû ñ ïîìîùüþ ïðàâèë è îáúåêòîâíàêàïëèâàòü îïûò,ïîâûñèòü êà÷åñòâî ïðèíèìàåìûõ ðåøåíèé. Áàçû çíàíèé âñòðîåíûñåãîäíÿ â íàèáîëåå ñîâðåìåííûå êðóïíûå ñèñòåìû. Îíè íàõîäÿòñÿ â ñàìîé ñåðäöåâèíå ïðîãðàìì- àãåíòîâ, îñóùåñòâëÿþùèõ ïîèñê â ñåòè Internet, è ïîìîãàþò êîëëåêòèâàì ïîëüçîâàòåëåé ñïðàâèòüñÿ ñ ïîèòîêàìè èíôîðìàöèè.

    Ðàññìîòðèì  ôàêòîðû, ñòèìóëèðîâàâøèå ðàçâèòèå  ñèñòåì ñ áàçàìè çíàíèé:

- êîìïàíèè, äîáèâøèåñÿ  çíà÷èòåëüíîé ýêîíîìèè äåíåæíûõ  ñðåäñòâ áëàãîäàðÿ òåõíîëîãèè  áàç çíàíèé, ðàçâèâàþò è âûñòðàèâàþò  åå â ñïåöèàëüíûå áèçíåñ- ïðîöåññû, êîòîðûå áûëè áû ïðîñòî íåâîçìîæíû áåç êîìïüþòåðíîé ýêñïåðòèçû;

- ðàçðàáîòàíû  íîâûå òåõíîëîãèè ñîçäàíèÿ áàç  çíàíèé, ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì ñðåäñòâîì,  êîòîðîå ìîæåò èçìåíèòü áèçíåñ- ïîöåññ;

- ñîâðåìåííûå  ñèñòåìû ðåàëèçîâàíû íå íàñïåöèàëèçèðîâàííîì, à íà ñòàíäàðòíîì îáîðóäîâàíèè.

    Îáúåäèíåíèå  âñåõ âèäîâ ïðîãðàììíûõ ïðîäóêòîâ  è èõ îòäåëüíûõ êîìïîíåíòîâ  â åäèíóþ ÝÑ ïðèçíàíî ýêîíîìè÷åñêè  âûãîäíûì, òàê êàê ïðèìåíåíèå ÝÑ  ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ñîêðàòèòü ðàñõîäû íà ïîäãîòîâêó êâàëèôèöèðîâàííîãî ïåðñîíàëà, äàëüíåéøóþ ïðîâåðêó ðàáîòîñïîñîáíîñòè è íàäåæíîñòè ðàçðàáàòûâàåìûõ è èññëåäîâàòåëüñêèõ ñèñòåì, à òàêæå óìåíüøèòü âðåìÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ è(èëè) èññëåäîâàíèÿ.

    Îáúåêòíàÿ  òåõíîëîãèÿ, íà îñíîâå êîòîðîé  ìîãóò ñîçäàâàòüñÿ è ðàçâèâàòüñÿ  ñîâðåìåííûå ÝÑ, - çíà÷èòåëüíûé øàã âïåðåä ïî ñðàâíåíèþ ñ CASE- ñðåäñòâàìè, ò.ê. îíà ïîõîæà íà íàøå âîñïðèÿòèå îêðóæàþùåé äåéñòâèòåëüíîñòè. Íàøå ïðåäñòàâëåíèå î ìîäåëèðîâàíèè ìåíÿåòñÿ, òî æå ñàìîå ïðîèñõîäèò è ñ îáúåêòàìè, ïîýòîìó ñîïðîâîæäåíèå ïðîãðàììèðóåìûõ îáúåêòîâ ìîæåò âûïîëíÿòñÿ àíàëîãè÷íî ïðèñïîñîáëåíèþ íàøèõ óìîçðèòåëüíûõ îáðàçîâ ê èçìåíåíèþ îêðóæàþùèõ óñëîâèé. Äàííàÿ òåõíîëîãèÿ ïðåêðàñíî ïîäõîäèò àíàëèòèêàì è ïðîãðàììèñòàì. ò.ê. î÷åíü íàïîìèíàåò ñòðàòåãèþ ðåøåíèÿ ïðîáëåì  è ñîîòâåòñòâóåò ìûñëèòåëüíûì ïðîöåññàì ëþäåé, ñ÷èòàþùèõñÿ ýêñïåðòàìè â ñâîåé îáëàñòè.

    ×òîáû  ñòàòü ýêñïåðòîì, ñïåöèàëèñòó  íóæåí èíñòðóìåíòàðèé, èìèòèðóþùèé  ìûøëåíèå ýêñïåðòà. Ðàçðàáîòêà ïàðàäèãìû  ïðåâðàùàåòñÿ èç çàäà÷è, ÷óæäîé  ìûøëåíèþ ÷åëîâåêà, â çíàêîìîå, ïðèâû÷íîå  è ëåãêî âûïîëíÿåìîå çàäàíèå.

    Êàê ðàáîòàþò  ýêñïåðòû? Ñëåäóÿ ïðèíöèïàì, çàëîæåííûì â îáúåêòíî- îðèåíòèðîâàííûå òåõíîëîãèè, îíè ïîäðàçóìåâàþò ïðîáëåìû íà îáúåêòû èëè êëàññû îáúåêòîâ. Ïî ìåðå íàêîïëåíèÿ çíàíèé â îïðåäåëåííîé îáëàñòè îíè äåëàþò îáîáùåíèÿ, îðèåíòèðóÿñü íà âûäåëåííûå îáúåêòû èëè êëàññû îáúåêòîâ⁹. Íåêîòîðûå îáîáùåíèÿ èìåþò èåðàðõè÷åñêóþ ñòðóêòóðó, ãäå ñâîéñòâà âûñøèõ îáúåêòîâ íàñëåäóþòñÿ îáúåêòàìè íèçøåãî óðîâíÿ. Ñóùíîñòü ìîæåò ñîîòâåòñòâîâàòü íåñêîëüêèì êëàññàì îáúåêòîâ è âçàèìîäåéñòâîâàòü ñ ðàçëè÷íûìè îáúåêòàìè èëè êëàññàìè. Ïî ìåðå òîãî êàê çíàíèÿ ýêñïåðòà óãëóáëÿþòñÿ, íà èõ îñíîâå ôîðìèðóþòñÿ íîâûå àññîöèàöèè, à îòäåëüíûå óðîâíè èåðàðõèè ïðîïàäàþò èëè ðàñøèðÿþòñÿ.

    Ìåòîäèêà îáúåêòíî- îðèåíòèðîâàííîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ  îñíîâàíà íà ìîäåëè, íàïîìèíàþùåé  îáðàçû, âîçíèêàþùèå â ìîçãó àíàëèòèêà, êîòîðàÿ ïðåäñòàâëÿåò ïðåäìåòû è ïðîöåññû â âèäå îáúåêòîâ è ñâÿçåé ìåæäó íèìè. Íàáëþäàÿ ñîáûòèå, ýêñïåðò ëåãêî âûäåëÿåò çíàêîìûå îáðàçû. Äëÿ ðåøåíèÿ ïðîáëåì îí èñïûòûâàåò êîíêðåòíûå ïðàâèëà, ðàññìàòðèâàÿ ïðè ýòîì èññëåäóåìóþ ïðîáëåìó ïîä îïðåäåëåííûì ðàêóðñîì.

   Ïðè ðàçðàáîòêå  ñèñòåì àâòîìàòèçèðîâàííîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ (ÑÀÏÐ) óæå íåëüçÿ îáîéòèñü áåç  ÝÑ; èõ èñïîëüçîâàíèå ïðèçíàíî  ýêîíîìè÷åñêè âûãîäíûì.

    Ñ ñåðåäèíû 80-õ  ãîäîâ íàèáîëåå ïîïóëÿðíûå ñèñòåìû  ñ áàçàìè çíàíèé ñîçäàâàëèñü  ñ îðèåíòàöèåé íà ñòàíäàðòíîå îáîðóäîâàíèå.  ýòîì êëþ÷ ê ïîíèìàíèþ ïðè÷èí óñïåõà ñîâðåìåííîé òåõíîëîãèè áàç çíàíèé. Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òî ñèñòåìû ñ áàçàìè çíàíèé íåîáõîäèìî âñòðàèâàòü â ñàìûå âàæíûå áèçíåññ- ïðîöåññû è îðãàíèçîâûâàòü ðàáîòó ïåðñîíàëà òàê, ÷òîáû îí ìîã ìàêñèìàëüíî èñïîëüçîâàòü èõ ïðåèìóùåñòâà äëÿ äîñòèæåíèÿ íàèëó÷øèõ ðåçóëüòàòîâ.  

1.6. Структура систем, основанных на знаниях

1.6.1. Категории пользователей ЭС

   

Структура ЭС изображена на схеме ( Приложение 2).

      Экспертные  системы имеют две категории  пользователей  и два отдельных  “входа”, соответствующих различным  целям взаимодействия пользователей с ЭС:

1) обычный пользователь (эксперт), которому требуется консультация ЭС- диалоговый сеанс работы с ней, в процессе которой она решает некоторую экспертную задачу. Диалог с ЭС осуществляется через диалоговый процессор- специальную компоненту ЭС. Существуют две основные формы диалога с ЭС- диалог на ограниченном подмножестве естественного языка ( с использованием  словаря - меню (при котором на каждом шаге диалога система предлагает выбор профессионального лексикона экспертов) и диалог на основе из нескольких возможных действий);

2) экспертная группа инженерии знаний, состоящая из экспертов в предметной области и инженеров знаний. В функции этой группы входит заполнение базы знаний, осуществляемое с помощью специализированной диалоговой компоненты ЭС - подсистемы приобретения знаний, которая позволяет частично автоматизировать этот процесс.¹⁰                                                                                                            

 

 

1.6.2. Подсистема приобретения знаний

   

      Подсистема приобретения знаний предназначена для добавления в базу знаний новых правил и модификации имеющихся. В ее задачу входит приведение правила к виду, позволяющему подсистеме вывода применять это правило в процессе работы. В более сложных системах предусмотрены еще и средства для проверки вводимых или модифицируемых правил на непротиворечивость с имеющимися правилами.

 

 

1.6.3.  База знаний

 

  База знаний - наиболее важная компонента экспертной системы, на которой основаны ее «интеллектуальные способности». В отличие от всех остальных компонент ЭС, база знаний - «переменная » часть системы, которая может пополняться и модифицироваться инженерами знаний и опыта использование ЭС, между консультациями (а в некоторых системах и в процессе консультации). Существует несколько способов представления знаний в ЭС, однако общим для всех них является то, что знания представлены в символьной форме (элементарными компонентами представления знаний являются тексты, списки и другие символьные структуры). Тем самым, в ЭС реализуется принцип символьной природы рассуждений, который заключается в том, что процесс рассуждения представляется как последовательность символьных преобразований.

    Наиболее распространенный  способ представления знаний - в  виде конкретных фактов и правил, по которым из имеющихся фактов могут быть выведены новые. Факты представлены, например, в виде    троек:

            (АТРИБУТ  ОБЪЕКТ  ЗНАЧЕНИЕ).

   Такой факт  означает, что заданный объект  имеет заданный атрибут   (свойства) с заданным значением. Например, тройка                     (ТЕМПЕРАТУРА  ПАЦИЕНТ1  37.5) представляет факт «температура    больного, обозначаемого ПАЦИЕНТ1, равна 37.5». В более простых случаях факт выражается неконкретным значением атрибута, а каким либо простым утверждением, которое может быть истинным или ложным, например: «Небо покрыто тучами». В таких случаях факт можно обозначить каким-либо кратким именем (например, ТУЧИ) или использовать для представления факта сам текст соответствующей фразы.

    Правила в базе знаний имеют вид:

ЕСЛИ А  ТО  S, где А- условие; S- действие. Действие S исполняется, если А истинно. Наиболее часто действие S, так же, как и условие, представляет собой утверждение, которое может быть выведено системой (то есть становится ей известной), если истинно условие правила А.

   Правила в базе знаний  служат для представления эвристических знаний (эвристик), т.е. неформальных правил рассуждения, вырабатываемых экспертом на основе опыта его деятельности.

    Простой пример правила  из повседневной жизни:

        ЕСЛИ небо  покрыто тучами

        ТО скоро  пойдет дождь.

В качестве условия A может выступать либо факт(как в данном примере), либо несколько фактов A1,...,AN, соединенные логической операцией и:

        A1 и A2 и ... и AN.

В математической логике такое выражение называется коньюнкцией. Оно считается истинным в том случае, если истинны все его компоненты. Пример предыдущего правила с более сложным условием:

       ЕСЛИ 

             небо покрыто тучами и барометр падает

       ТО

             скоро пойдет дождь.       (Правило 1).

    Действия, входящие в  состав правил, могут содержать  новые факты. При применении  таких правил эти факты становятся  известны системе, т.е. включаются  в множество фактов, которое называется  рабочим множеством. Например, если факты «Небо покрыто тучами» и «Барометр падает» уже имеются в рабочем множестве, то после применения приведенного выше правила в него также включается факт «Скоро пойдет дождь».

    Если система не может  вывести некоторый факт, истинность  или ложность которого требуется установить, то система спрашивает о нем пользователя. Например:

      ВЕРНО ЛИ, ЧТО небо  покрыто тучами?

При получении положительного ответа от пользователя факт «Небо покрыто тучами» включается в рабочем множество.

    Существуют динамические и статические базы знаний. Динамическая база знаний изменяется со временем. Ее содержимое зависит и от состояния окружающей. Новые факты, добавляемые в базу знаний, являются результатом вывода, который состоит в применении правил к имеющимся фактам.

    В системах с монотонным  выводом факты, хранимые в базе  знаний, статичны, то есть не изменяются  в процессе решения задачи. В  системах с немонотонным выводом  допускается изменение или удаление  фактов из базы знаний. В качестве  примера системы с немонотонным выводом можно привести ЭС, предназначенную для составления перспективного плана капиталовложения компании. В такой системе по вашему желанию могут быть изменены даже те данные, которые после вывода уже вызвали срабатывание каких-либо правил. Иными словами имеется возможность модифицировать значения атрибутов в составе фактов, находящихся в рабочей памяти. Изменение фактов в свою очередь приводит к необходимости удаления из базы знаний заключений, полученных с помощью упомянутых правил. Тем самым вывод выполняется повторно для того, чтобы пересмотреть те решения, которые были получены на основе подвергшихся изменению фактов.¹¹

 

 

1.7. Подсистема вывода

1.7.1 Подсистема вывода, способы логического вывода

 

  Подсистема вывода - программная компонента экспертных  систем, реализующая процесс ее  рассуждений на основе базы  знаний и рабочего множества.  Она выполняет две функции:  во-первых, просмотр существующих  фактов из рабочего множества  и правил из базы знаний и добавление (по мере возможности) в рабочее множество новых фактов и, во-вторых, определение порядка просмотра и применения правил. Эта подсистема управляет процессом консультации, сохраняет для пользователя информацию о полученных заключениях, и запрашивает у него информацию, когда для срабатывания очередного правила в рабочем множестве оказывается недостаточно данных.

    Цель ЭС - вывести некоторый заданный факт, который называется целевым утверждением (то есть в результате применения правил добиться того, чтобы этот факт был включен в рабочее множество), либо опровергнуть этот факт (то есть убедиться, что его вывести невозможно, следовательно, при данном уровне знаний системы он является ложным). Целевое утверждение может быть либо «заложено» заранее в базу знаний системы, либо извлекается системой из диалога с пользователем.¹²