Экспертные системы - характеристика, назначение, основные компоненты, классификация

     Работа  системы представляет собой последовательность  шагов, на каждом из которых  из базы выбирается некоторое   правило, которое применяется  к текущему содержимому рабочего множества. Цикл заканчивается, когда выведено либо опровергнуто целевое утверждение. Цикл работы экспертной системы иначе называется логическим выводом. Логический вывод может происходить многими способами, из которых наиболее распространенные - прямой порядок вывода и обратный порядок вывода.

    Прямой порядок  вывода - от фактов, которые находятся в рабочем множестве, к заключению. Если такое заключение удается найти, то оно заносится в рабочее множество. Прямой вывод часто называют выводом, управляемым данными.

    Для иллюстрации  добавим к нашему примеру базы  знаний о погоде еще одно  правило:

        ЕСЛИ скоро пойдет дождь 

         ТО  нужно взять с собой зонтик.    (правило 2)

    Предположим  также, что факты «Небо покрыто  тучами» и «Барометр падает» имеются в рабочем множестве, а целью системы является ответ на вопрос пользователя:

  «Нужно взять с  собой зонтик?» 

  При прямом выводе  работа системы будет протекать  следующим образом:

  Шаг 1. Рассматривается правило 1. Его условие истинно, так как оба элемента коньюнкции имеются в рабочем множестве. Применяем правило 1; добавляем к рабочему множеству факт ”Скоро пойдет дождь”.

  Шаг 2. Рассматривается правило 2. Его условие истинно, т.к. утверждение из условия имеется в рабочем множестве. Примеряем правило 2; добавляем к рабочему множеству факт “Нужно взять с собой зонтик”. Целевое утверждение выведено.

    Обратный порядок  вывода: заключения просматриваются  до тех пор, пока не будет  обнаружены в рабочей памяти  или получены от пользователя  факты, подтверждающие одно из них. В системах с обратным выводом вначале выдвигается некоторая гипотеза, а затем механизм вывода в процессе работы, как бы возвращается назад, переходя от нее к фактам, и пытается найти среди них те, которые подтверждают эту гипотезу. Если она оказалась правильной, то выбирается следующая гипотеза, детализирующая первую являющаяся по отношению к ней подцелью. Далее отыскиваются факты, подтверждающие истинность подчиненной гипотезы. Вывод такого типа называется управляемым целями. Обратный поиск применяется в тех случаях, когда цели известны и их сравнительно немного.

    В рассматриваемом  примере вывод целевого утверждения  “Нужно взять с собой зонтик”  обратной цепочкой рассуждений  выполняется следующим образом:

Шаг 1. Рассматривается правило 1. Оно не содержит цели в правой части. Переходим к правилу 2.

Шаг 2. Рассматривается правило 2. Оно содержит цель в правой части правила. Переходим к правой части правила и рассматриваем в качестве текущей цели утверждения “Скоро пойдет дождь”.

Шаг 3. Текущей цели нет в рабочем множестве. Рассмотрим правило 1, которое содержит цель в правой части. Обе компоненты его условия имеются в рабочем множестве, так что условие истинно. Применяем привило 1; в результате выводим утверждение “Скоро пойдет дождь”; которое было нашей предыдущей целью.

Шаг 4. Применяем правило 2, условием которого является данное утверждение. Получаем вывод исходного утверждения.

    Заметим, что для упрощения ситуации мы предположили, что в обоих случаях факты “Небо покрыто тучами”  и “Барометр падает” уже известны системе. На самом деле система выясняет истинность или ложность факта, входящего в условие некоторого правила, спрашивая об этом пользователя в тот момент, когда она пытается применить правило.

     Приведенный  пример сознательно выбран очень простым и не отражающим многих проблем, связанных с организацией вывода в экспертной системе. В частности, из примера может создаться впечатление, что прямая цепочка рассуждений эффективнее, чем обратная, что на самом деле, вообще говоря, не так. Эффективность той или иной стратегии вывода зависит от характера задачи и содержимого базы знаний. В системах диагностики чаще применяется прямой вывод, в то время как в планирующих системах более эффективным оказывается обратный вывод. В некоторых системах вывод основывается на сочетании обратного и ограниченно- прямого. Такой комбинированный метод получил название циклического.

    Выше уже отмечалось, что механизм вывода включает в себя два компонента - один из них реализует собственно вывод, другой управляет этим процессом. Компонент вывода выполняет первую задачу, рассматривая имеющиеся правила и факты из рабочего множества и добавляя в него новые факты при срабатывании какого-нибудь правила. Управляющий компонент определяет порядок применения правил. Рассмотрим каждый из этих компонентов более подробно.

 

 

1.7.2. Компонент вывода

 

  Его действия основаны  на применении правила вывода, обычно называемого модус поненс, суть которого состоит в следующем: пусть известно, что истинно утверждение А и существует правило вида «Если А, то В», тогда утверждение В так же истинно. Правила срабатывают, когда находятся факты, удовлетворяющие их левой части: если истинна посылка, то должно быть истинно и заключение.

    Хотя в принципе  на первый взгляд кажется, что  такой вывод легко может быть  реализован на компьютере, тем  не менее на практике человеческий  мозг все равно оказывается  более эффективным при решении задач. Рассмотрим, например, простое предложение: 

                                              Мэри искала ключ.

     Здесь для  слова «ключ» допустимы как  минимум два значения «родник»  и «ключ от квартиры». В следующих  же двух предложениях одно и то же слово имеет совершенно разные значения:

                               Мы заблудились в чаще.

                               Нужно чаще ходить в театр.

     Понять  факты становиться  еще сложнее,  если они являются составными  частями продукций, которые используют правило модус поненс для вывода заключения. Приведем такой пример:

         ЕСЛИ     Белый автомобиль  легко заметить ночью

            И         Автомобиль  Джека белый

           ТО       Автомобиль Джека  легко заметить ночью

      Это заключение легко выведет даже ребенок, но оно оказывается не под силу ни одной из современных ЭС.

    Компонент  вывода должен обладать способностью  функционировать при любых условиях. Механизм вывода должен быть  способен продолжить  рассуждение  и со временем найти решение даже при недостатке информации. Это решение может и не быть точным, однако система ни в коем случае не должна останавливаться из-за того, что отсутствует какая-либо часть входной информации.

 

 

1.7.3. Управляющий компонент.

 

  Этот компонент  определяет порядок применения  правил, а также устанавливает,  имеются ли еще факты, которые  могут быть изменены в случае  продолжения консультации. Управляющий  компонент выполняет четыре функции:

1. Сопоставление - образец правила сопоставляется с имеющимися фактами;

2. Выбор - если в конкретной ситуации могут быть применены сразу несколько правил, то из них выбирается одно, наиболее подходящее к заданному критерию (разрешение конфликта).

3. Срабатывание - если образец правила при сопоставлении совпал с какими- либо фактами из рабочего множества, то правило срабатывает.

4. Действие- рабочее множество  подвергается изменению путем  добавления в него заключения  сработавшего правила. Если в правой части правила содержится указание на какое- либо действие, то оно выполняется (как, например, в системах обеспечения безопасности информации).

    Интерпретатор  правил работает циклически. В  каждом цикле он просматривает  все правила, чтобы выявить среди них те посылки, которые совпадают с известными на данный момент фактами из рабочего множества. Интерпретатор определяет также порядок применения правил. После выбора правило срабатывает, его заключение заносится в рабочее множество, и затем цикл повторяется сначала.

    В одном  цикле может сработать только  одно правило. Если несколько  правил успешно сопоставлены  с фактами, то интерпретатор  производит выбор по определенному  критерию единственного правила,  которое и срабатывает в данном  цикле.¹³ Цикл работы интерпретатора схематически представлен на рисунке (Приложение 3).

    Информация  из рабочего множества последовательно  сопоставляется с посылками правил  для выявления успешного сопоставления.  Совокупность отобранных правил  составляет так называемое конфликтное множество. Для разрешения конфликта интерпретатор имеет критерий, с помощью которого он выбирает единственное правило, после чего оно срабатывает. Это выражается в занесении фактов, образующих заключение правила, в рабочее множество или в изменении критерия выбора конфликтующих правил. Если же в заключение правила входит название какого-нибудь действия, то оно выполняется (например, подается звуковой сигнал, начинает выполняться процедура и т.д.).

    Новые данные, введенные в систему сработавшим правилом, в свою очередь могут изменить критерий выбора правила. В том случае, если, например, компьютерная система, предназначенная для игры в шахматы, разыгрывает партию за двух игроков, то она может принять решение придерживаться атакующей стратегии через ход, т.е. атаковать будет один из партнеров. Если вы сами играете с этой системой, то в какой- то момент она может перейти к использованию оборонительной стратегии (по крайней мере, временно), а затем опять вернуться к наступательной игре. Изменение критерия основывается на заключениях, полученных после анализа положения на доске, которое представлено в рабочем множестве системы, а также правил игры (статических структурных знаний) и структурных динамических знаниях (эвристиках).

    В действительности ЭС не располагают процедурами, которые могли бы построить в пространстве состояний сразу весь путь решения задачи. Более того, зачастую даже не удается определить, имеется ли вообще какое-нибудь решение задачи. Тем ни менее поиск решения выполняется, поскольку движением в пространстве состояний управляют скрытые или виртуальные процедуры. Они получили название демонов, поскольку во время работы системы находятся в “засаде” и активизируются только тогда, когда их просят о помощи, т.е. на самом деле ведут себя как добрые демоны.

    Свое название  демоны получили от “демона  Максвелла” - действующего лица одного из мысленных экспериментов, предложенного его автором для критики законов термодинамики. Другим их прообразом является Пандемониум Оливера Селфриджа - первой модели человека, в котором деятельность биологической системы представлялась как работа вызываемых по образцу демонов. Если же воспользоваться научной терминологией, то такие управляющие процедуры получили название недетерминированных. Это означает, что траектория поиска решения в пространстве состояний полностью определяется данными.

    При разработке  управляющего компонента механизма  (подсистемы) вывода необходимо решить  вопрос о том, по какому критерию  следует выбирать правило, которое  будет применено в конкретном цикле.

    Уже на ранней  стадии разработки ЭС необходимо  знать, что будет вводить конечный  пользователь. Это нужно для того, чтобы убедиться, будет ли система  достаточно практична и сможет  ли она вжиться в среду, в  которой ей предстоит работать.

    Участие пользователя  выражается в следующем:

- конкретные задачи. Пользователь, сталкиваясь с конкретными проблемами, может объяснить возникновение  проблем и предложить возможные  варианты их решения;

- общение. Интерфейс  пользователя должен соответствовать словарю пользователя и уровню его подготовки;

- установление связей. Знакомство пользователя с причинами  и последствиями, вызывающими  то или иное действие в процессе  функционирования системы, неоценимо  в определении взаимосвязей фактов в базе знаний;

- обратная связь. Отличительной  особенностью удобной в использовании  ЭС является ее способность  объяснить конечному пользователю  ход своих рассуждений.

 

1.7.4.  Диалог с ЭС. Объяснение.

    Поскольку  системы, основанные на знаниях,  реализуются на компьютерах, то  и входная информация воспринимается или в виде, понятном компьютеру, т.е. в битах и байтах. Однако для того чтобы мог взаимодействовать неподготовленный пользователь, в нее требуется включить средства общения на естественном языке. Подавляющее большинство систем, основанных на знаниях, обладают достаточно примитивным интерфейсом на естественном языке - допустимые входные сообщения пользователя ограничены набором понятий, содержащихся в базе знаний.

    Итак, на примере  простой ЭС и базы знаний  диалог пользователя с системой  можно представить себе следующим образом: