Экспертные системы

Содержание

 

 

Введение

 

В течение последнего десятилетия в рамках исследований по искусственному интеллекту сформировалось самостоятельное направление – экспертные системы (ЭС), или инженерия знаний. В задачу этого направления входят исследование и разработка программ (устройств), использующих знания и процедуры вывода для решения задач, являющихся трудными для людей-экспертов. ЭС могут быть отнесены к системам ИИ общего назначения – системам, которые не только исполняют заданные процедуры, но на основе метапроцедур поиска генерируют и используют процедуры решения новых конкретных задач.

Огромный интерес к ЭС со стороны пользователей вызван, по крайней мере, тремя причинами. Во-первых, они ориентированы на решение широкого круга задач в неформализованных областях, на приложения, которые до недавнего времени считались малодоступными для вычислительной техники.   Во-вторых, с помощью ЭС специалисты, не знающие программирования, могут самостоятельно разрабатывать интересующие их приложения, что позволяет резко расширить сферу использования вычислительной техники. В-третьих, ЭС при решении практических задач достигают результатов, не уступающих, а иногда и превосходящих возможности людей-экспертов, не оснащённых ЭС.

В настоящее  время ЭС применяются в различных  областях человеческой деятельности. Наибольшее распространение ЭС получили в проектировании интегральных микросхем, в поиске неисправностей, в военных приложениях и автоматизации программирования. Применение ЭС позволяет: 1) при проектировании интегральных микросхем повысить производительность труда в 3-6 раз, при этом выполнение некоторых операций ускоряется в 10-15 раз; 2) ускорить поиск неисправностей в устройствах в 5-10 раз; 3) повысить производительность труда программистов в 5 раз; 4) при профессиональной подготовке сократить (без потери качества) в 8-12 раз затраты на индивидуальную работу с обучаемым.

В настоящее  время ведутся разработки ЭС для  следующих приложений: раннее предупреждение национальных и международных конфликтов и поиск компромиссных решений; принятие решений в кризисных ситуациях; охрана правопорядка; законодательство; образование; планирование и распределение ресурсов; системы организационного управления (кабинет министров, муниципалитет, учреждение) и т.д.

Исследования  и разработки ЭС составляют основу программ по информатизации развитых государств. На проведение этих программ выделены весьма большие средства. Несмотря на значительную стоимость разработки, ЭС приносят существенный доход.

 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭС

 

Экспертная  система – наиболее известный и распространенный вид интеллектуальных систем.

Первая особенность экспертных систем состоит в том, что они предназначены для пользователей, сфера деятельности которых далека от искусственного интеллекта, программирования, математики, логики. Для таких пользователей экспертная система выступает как некая система, помогающая им в повседневной работе. Общения с экспертными системами должны быть так же просты, как просты, например, работа с телевизором, стиральной машиной или автомобилем.

Во многих видах человеческой деятельности используемые знания далеко не всегда могут быть четко формулированы. Точнее, наряду со знаниями как бы отделёнными, отобранными у специалистов (они зафиксированы в учебниках, инструкциях, учебных фильмах и т.п.), существуют так называемые навыки и умения, овладеть которыми можно, только работая вместе с теми, кто уже овладел ими.

Профессионал, высокого уровня: врач, геолог, экономист, инженер, технолог и т.д. – отличается от новичка, овладевшего знаниями в объёме учебных программ институт или университета, именно этими навыками и умениями. И повышение их профессионального мастерства – огромная социальная задача. Чтобы её решить, надо научиться извлекать из профессионалов-экспертов те знания, которые не зафиксированы в форме, пригодной для массового распространения – в книгах, кинофильмах, наглядных пособиях. В этом и заключается вторая особенность экспертных систем. Само название этих систем указывает на то, что они должны хранить в себе знании профессионалов-экспертов в некоторой предметной области. И не просто хранить, но и передавать их тем, у кого таких знаний нет. Для этого в экспертной системе предусмотрены не только простые средства общения между системой и специалистами, но и средства доведения хранимых в системе знаний до специалиста вместе с необходимыми пояснениями и разъяснениями.

На практике экспертные системы используются, прежде всего, как системы-советчики в тех ситуациях, где специалист сомневается в выборе правильного решения. Экспертные знания, хранящиеся в памяти системы, более глубокие и полные, чем соответствующие знания пользователя. Однако возможны и другие случаи применения экспертных систем. Правда, часть специалистов в области ИИ предлагают эти другие системы считать особыми классами интеллектуальных систем и не смешивать их с «классическими» экспертными системами. Но термин «экспертные системы» характеризуется стремлением к расширению, и в большинстве случаев, когда его употребляют, в него автоматически включают ещё два вида систем.

При работе в системах оперативного управления знания, хранящиеся в базе знаний, могут быть и меньшими, чем у специалиста, работающего в паре с системой. Но зато быстрота и точность реакции значительно выше, чем у человека.

Существует ещё один класс систем, не имеющих собственного названия и поэтому часто называемых экспертными. В отличие от классических экспертных систем они рассчитаны не на пользователя, являющегося новичком иди средним специалистом в некоторой области деятельности, а на самих экспертов-специалистов. Для таких специалистов нужна не консультирующая или советующая система, а система, способная помочь им в научной работе. Системы такого рода называют системами автоматизации научных исследований (АСНИ). Примером могут быть системы, способные на основании частных знаний эксперта обнаружить в эмпирическом материале скрытые связи и закономерности.

 

2. СТРУКТУРА И РЕЖИМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭС

 

Типичная ЭС состоит из следующих основных компонентов: решателя (интерпретатора), рабочей памяти (РП), называемой также базой данных (БД), базы знаний (БЗ), компонентов приобретения знаний, объяснительного и диалогового компонентов (рис. 1).

База данных предназначена для хранения исходных и промежуточных данных решаемой в текущий момент задачи. Этот термин совпадает по названию, но не по смыслу с термином, используемым в информационно-поисковых  системах (ИПС) и системах управления базами данных (СУБД) для обозначения всех данных (и в первую очередь не текущих, а долгосрочных), хранимых в системе.

База знаний в ЭС предназначена дня хранения долгосрочных данных, описывающих рассматриваемую  область (а не текущих данных), и правил, описывающих целесообразные преобразования данных этой области.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Типовая  структура экспертной системы

 

Решатель, используя  исходные данные из РП и знания из БЗ формирует такую последовательность правил, которые, будучи применёнными к исходным данным, приводят к решению задачи.

Объяснительный  компонент объясняет, как система получила решение задачи (или почему она не получила решения) и какие знания она при этом использовала, что облегчает эксперту тестирование системы и повышает доверие пользователя к подученному результату.

Диалоговый  компонент ориентирован на организацию дружелюбного общения со всеми категориями пользователей как в ходе решения задач, так и приобретения знаний, объяснения результатов работы.

В разработке ЭС участвуют представители следующих специальностей:

эксперт в той  проблемной области, задачи которой будет решать ЭС;

инженер по знаниям – специалист по разработке ЭС;

программист – специалист  по разработке инструментальных средств (ИС).

Необходимо отметить, что  отсутствие среди участников разработки инженера по знаниям (т.е. его замена программистом) либо приводит к неудаче процесс создания ЭС, либо значительно удлиняет его. Эксперт определяет знания (данные и правила), характеризующие проблемную область, обеспечивает полноту и правильность введения в ЭС знаний.

Инженер по знаниям помогает эксперту выявить и структурировать знания, необходимые для работы ЭС, осуществляет выбор того ИС, которое наиболее подходит для данной проблемной области, и определяет способ того представления знаний в этом ИС, выделяет и программирует (традиционными средствами) стандартные функции (типичные для данной проблемной области), которые будут использоваться в правилах, вводимых экспертом.

Программист разрабатывает  ИС, содержащее в пределе все основные компоненты ЭС, осуществляет сопряжение ИС с той средой, в которой оно будет использовано.

Экспертная  система работает в двух режимах; приобретения знаний и решения задач (называемом также режимом консультации или режимом использования ЭС).

В режиме приобретения знаний общение с ЭС осуществляется через посредничество инженера по знаниям. Эксперт описывает проблемную область в виде совокупности данных и правил. Данные определяют объекты, их характеристики и значения, существующие в области экспертизы. Правила определяют способы манипулирования данными, характерные для рассматриваемой проблемной области. Эксперт, используя компонент приобретения знаний, наполняет систему знаниями, которые позволяют ЭС в режиме решения самостоятельно (без эксперта) решать задачи из проблемной области.

Важную роль в режиме приобретения знаний играет объяснительный компонент. Именно благодаря ему эксперт на этапе тестирования локализует причины неудачной работы ЭС, что позволяет эксперту целенаправленно модифицировать старые или вводить новые знания. Обычно объяснительный компонент сообщает следующее: как правильно используют информацию пользователя; почему использовались или не использовались данные или правила; какие были сделаны выводы и т.д. Все объяснения делаются, как правило на ограниченном естественном языке или языке графики.

Режиму приобретения знаний при традиционном подходе к разработке программ соответствуют этапы алгоритмизации, программирование и отладки, выполняемые программистом. В отличие от традиционного подхода разработку программ осуществляет эксперт (с помощью ЭС), не владеющий программированием, а не программист.

В режиме консультации общение с ЭС осуществляет конечный пользователь, которого интересует результат и (или) способ получения решения. Пользователь в зависимости от назначения ЭС может не быть специалистом в данной проблемной области, в этом случае он обращается к ЭС за советом, не умея получить ответ сам, или быть специалистом, в этом случае он обращается к ЭС, чтобы либо ускорить процесс получения результата, либо возложить на ЭС рутинную работу. Термин “пользователь” означает, что им является и эксперт, и инженер по знаниям, и программист. Поэтому, когда хотят подчеркнуть, что речь идет о том, для кого делалась ЭС, используют термин “конечный пользователь”.

В режиме консультации данные о задаче пользователя обрабатываются диалоговым компонентом, который выполняет следующие действия:

распределяет  роли участников (пользователя и ЭС) и организует их взаимодействие в  процессе кооперативного решения задачи;

преобразует данные пользователя о задаче, представленные на привычном для пользователя языке, на внутренний язык системы;

преобразует сообщения  системы, представленные на внутреннем языке, в сообщения на языке, привычном  для пользователя (обычно это ограниченный естественный язык или язык графики).

После обработки  данные поступают в РП. На основе входных данных в РП, общих данных о проблемной области и правил из БЗ решатель (интерпретатор) формирует решение задачи.

В отличие от традиционных программ ЭС в режиме решения задачи не только исполняет предписанную последовательность операций, но и предварительно формирует её, Если ответ ЭС не понятен пользователю, то он может потребовать объяснения, как ответ получен.

 

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ЭС

 

В широком толковании в инструментарий включают и аппаратуру, ориентированную на разработку ЭС (аппаратурный инструментарий).

На проектирование и создание одной ЭС раньше требовалось 20-30 чел.-лет. В настоящее время имеется ряд средств, ускоряющих создание ЭС. Эти средства называются инструментальными (ИС), или инструментарием. Использование ИС сокращает время разработки ЭС в 3-5 раз.

Экспертные  системы выполняются на ЭВМ следующих  типов: общего назначения; ПЭВМ; интеллектуальные рабочие станции; последовательные символьные ЭВМ типа ЛИСП-машин и ПРОЛОГ-машин; параллельные символьные ЭВМ.

Программные ИС будут определяться следующими характеристиками: назначение; стадия существования; тип ИС; тип используемых методов и знаний; универсальность; основные свойства; среда функционирования.