Экспертные системы

Экспертные системы

Назначение  Экспертных Систем

Структура Экспертных Систем

Этапы разработки экспертных систем

Интерфейс с конечным пользователем

Представление Знаний В ЭС

Уровни  Представления И Уровни Детальности

Организация Знаний В Рабочей Системе

Организация Знаний В Базе Данных

Методы  Поиска Решений В Экспертных Системах

 

Экспе́ртная систе́ма (ЭС, англ. expert system) — компьютерная программа, способная

частично заменить специалиста-эксперта в разрешении проблемной ситуации. Современные ЭС начали разрабатываться исследователями искусственного интеллекта в 1970-х годах, а в 1980-х получили коммерческое подкрепление. Предтечи экспертных систем были предложены в 1832 году С. Н. Корсаковым, создавшим механические устройства, так называемые «интеллектуальные машины», позволявшие находить решения по заданным условиям, например определять наиболее подходящие лекарства по наблюдаемым у пациента симптомам заболевания^.В информатике экспертные системы рассматриваются совместно с базами знаний как модели поведения экспертов в определенной области знаний с использованием процедур логического вывода и принятия решений, а базы знаний — как совокупность фактов и правил логического вывода в выбранной предметной области деятельности.Похожие действия выполняет такой программный инструмент как Мастер (англ. Wizard). Мастера применяются как в системных программах так и в прикладных для упрощения интерактивного общения с пользователем (например, при установке ПО). Главное отличие мастеров от ЭС — отсутствие базы знаний — все действия жестко запрограммированы. Это просто набор форм для заполнения пользователем.

Другие подобные программы — поисковые или справочные (энциклопедические) системы. По запросу пользователя они предоставляют наиболее подходящие (релевантные) разделы базы статей (представления об объектах областей знаний, их виртуальную модель).

Структура ЭС интеллектуальных систем представляет следующую структуру ЭС:

• Интерфейс пользователя
• Пользователь
• Интеллектуальный редактор базы знаний
• Эксперт
• Инженер по знаниям
• Рабочая (оперативная) память
• База знаний
• Решатель (механизм вывода)
• Подсистема объяснений

База  знаний состоит из правил анализа информации от пользователя по конкретной проблеме. ЭС анализирует ситуацию и, в зависимости от направленности ЭС, дает рекомендации по разрешению проблемы.

Как правило, база знаний экспертной системы содержит факты (статические сведения о предметной области) и правила — набор инструкций, применяя которые к известным фактам можно получать новые факты.

В рамках логической модели баз данных и базы знаний записываются на языке Пролог с помощью языка предикатов для описания фактов и правил логического вывода, выражающих правила определения понятий, для описания обобщенных и конкретных сведений, а также конкретных и обобщенных запросов к базам данных и базам знаний.

Конкретные и обобщенные запросы к базам знаний на языке  Пролог записываются с помощью языка  предикатов, выражающих правила логического  вывода и определения понятий  над процедурами логического  вывода, имеющихся в базе знаний, выражающих обобщенные и конкретные сведения и знания в выбранной  предметной области деятельности и  сфере знаний.

Обычно факты в базе знаний описывают те явления, которые  являются постоянными для данной предметной области. Характеристики, значения которых зависят от условий конкретной задачи, ЭС получает от пользователя в  процессе работы, и сохраняет их в рабочей памяти. Например, в  медицинской ЭС факт «У здорового  человека 2 ноги» хранится в базе знаний, а факт «У пациента одна нога»  — в рабочей памяти.

База знаний ЭС создается  при помощи трех групп людей:

1. эксперты той проблемной области, к которой относятся задачи, решаемые ЭС;
2. инженеры по знаниям, являющиеся специалистами по разработке ИИС;
3. программисты, осуществляющие реализацию ЭС.

 Режимы функционирования

ЭС может функционировать  в 2-х режимах.

1. Режим ввода знаний — в этом режиме эксперт с помощью инженера по знаниям посредством редактора базы знаний вводит известные ему сведения о предметной области в базу знаний ЭС.
2. Режим консультации — пользователь ведет диалог с ЭС, сообщая ей сведения о текущей задаче и получая рекомендации ЭС. Например, на основе сведений о физическом состоянии больного ЭС ставит диагноз в виде перечня заболеваний, наиболее вероятных при данных симптомах.

 Классификация ЭС

         Классификация ЭС по решаемой задаче

• Интерпретация данных
• Диагностирование
• Мониторинг
• Проектирование
• Прогнозирование
• Сводное Планирование
• Обучение
• Управление
• Ремонт
• Отладка

         Классификация ЭС по связи с реальным временем

• Статические ЭС - это ЭС, решающие задачи в условиях не изменяющихся во времени исходных данных и знаний.
• Квазидинамические ЭС интерпретируют ситуацию, которая меняется с некоторым фиксированным интервалом времени.
• Динамические ЭС - это ЭС, решающие задачи в условиях изменяющихся во времени исходных данных и знаний.

               Этапы разработки ЭС

• Этап идентификации проблем — определяются задачи, которые подлежат решению, выявляются цели разработки, определяются эксперты и типы пользователей.
• Этап извлечения знаний — проводится содержательный анализ проблемной области, выявляются используемые понятия и их взаимосвязи, определяются методы решения задач.
• Этап структурирования знаний — выбираются ИС и определяются способы представления всех видов знаний, формализуются основные понятия, определяются способы интерпретации знаний, моделируется работа системы, оценивается адекватность целям системы зафиксированных понятий, методов решений, средств представления и манипулирования знаниями.
• Этап формализации — осуществляется наполнение экспертом базы знаний. В связи с тем, что основой ЭС являются знания, данный этап является наиболее важным и наиболее трудоемким этапом разработки ЭС. Процесс приобретения знаний разделяют на извлечение знаний из эксперта, организацию знаний, обеспечивающую эффективную работу системы, и представление знаний в виде, понятном ЭС. Процесс приобретения знаний осуществляется инженером по знаниям на основе анализа деятельности эксперта по решению реальных задач.
• Реализация ЭС — создается один или несколько прототипов ЭС, решающие требуемые задачи.
• Этап тестирования — производится оценка выбранного способа представления знаний в ЭС в целом.
• Наиболее известные/распространённые ЭС
• CLIPS — весьма популярная оболочка для построения ЭС (public domain)
• OpenCyc — мощная динамическая ЭС с глобальной онтологической моделью и поддержкой независимых контекстов
• WolframAlpha — поисковая система, интеллектуальный «вычислительный движок знаний»
• MYCIN — наиболее известная диагностическая система, которая предназначена для диагностики и наблюдения за состоянием больного при менингите и бактериальных инфекциях.
• HASP/SIAP — интерпретирующая система, которая определяет местоположение и типы судов в Тихом океане по данным акустических систем слежения.
• Акинатор - интернет-игра. Игрок должен загадать любого персонажа, а Акинатор должен его отгадать, задавая вопросы. База знаний автоматически пополняется, поэтому программа может отгадать практически любого известного персонажа.

Назначение  экспертных систем

В начале восьмидесятых годов  в исследованиях по искусственному интеллекту сформировалось самостоятельное  направление, получившее название "экспертные системы" (ЭС). Цель исследований по ЭС состоит в разработке программ, которые при решении задач, трудных  для эксперта-человека, получают результаты, не уступающие по качеству и эффективности  решениям, получаемым экспертом. Исследователи  в области ЭС для названия своей  дисциплины часто используют также  термин "инженерия знаний", введенный  Е.Фейгенбаумом как "привнесение принципов и инструментария исследований из области искусственного интеллекта в решение трудных прикладных проблем, требующих знаний экспертов".

Программные средства (ПС), базирующиеся на технологии экспертных систем, или  инженерии знаний (в дальнейшем будем  использовать их как синонимы), получили значительное распространение в  мире. Важность экспертных систем состоит  в следующем:

 технология экспертных  систем существенно расширяет  круг практически значимых задач,  решаемых на компьютерах, решение  которых приносит значительный  экономический эффект;

 технология ЭС является  важнейшим средством в решении  глобальных проблем традиционного  программирования: длительность и,  следовательно, высокая стоимость  разработки сложных приложений;

высокая стоимость сопровождения  сложных систем, которая часто  в несколько раз превосходит  стоимость их разработки; низкий уровень  повторной используемости программ и т.п.;

 объединение технологии ЭС с технологией традиционного программирования добавляет новые качества к программным продуктам за счет: обеспечения динамичной модификации приложений пользователем, а не программистом; большей "прозрачности" приложения (например, знания хранятся на ограниченном ЕЯ, что не требует комментариев к знаниям, упрощает обучение и сопровождение); лучшей графики; интерфейса и взаимодействия.

По мнению ведущих специалистов , в недалекой перспективе ЭС найдут следующее применение:

 ЭС будут играть  ведущую роль во всех фазах  проектирования, разработки, производства, распределения, продажи, поддержки  и оказания услуг;

 технология ЭС, получившая  коммерческое распространение, обеспечит  революционный прорыв в интеграции  приложений из готовых интеллектуально-взаимодействующих  модулей.

ЭС предназначены для так называемых неформализованных задач, т.е. ЭС не отвергают и не заменяют традиционного подхода к разработке программ, ориентированного на решение формализованных задач.

Неформализованные задачи обычно обладают следующими особенностями:

 ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью  исходных данных;

 ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью  знаний о проблемной области  и решаемой задаче;

 большой размерностью  пространства решения, т.е. перебор  при поиске решения весьма  велик;

 динамически изменяющимися  данными и знаниями.

Следует подчеркнуть, что  неформализованные задачи представляют большой и очень важный класс  задач. Многие специалисты считают, что эти задачи являются наиболее массовым классом задач, решаемых ЭВМ.

Экспертные системы и  системы искусственного интеллекта отличаются от систем обработки данных тем, что в них в основном используются символьный (а не числовой) способ представления, символьный вывод и эвристический  поиск решения (а не исполнение известного алгоритма).

Экспертные системы применяются  для решения только трудных практических (не игрушечных) задач. По качеству и  эффективности решения экспертные системы не уступают решениям эксперта-человека. Решения экспертных систем обладают "прозрачностью", т.е. могут быть объяснены пользователю на качественном уровне. Это качество экспертных систем обеспечивается их способностью рассуждать о своих знаниях и умозаключениях. Экспертные системы способны пополнять свои знания в ходе взаимодействия с экспертом. Необходимо отметить, что в настоящее время технология экспертных систем используется для решения различных типов задач (интерпретация, предсказание, диагностика, планирование, конструирование, контроль, отладка, инструктаж, управление ) в самых разнообразных проблемных областях, таких, как финансы, нефтяная и газовая промышленность, энергетика, транспорт, фармацевтическое производство, космос, металлургия, горное дело, химия, образование, целлюлозно-бумажная промышленность, телекоммуникации и связь и др.

Коммерческие успехи к  фирмам-разработчикам систем искусственного интеллекта (СИИ) пришли не сразу. На протяжении 1960 - 1985 гг. успехи ИИ касались в основном исследовательских разработок, которые  демонстрировали пригодность СИИ  для практического использования. Начиная примерно с 1985 г. (в массовом масштабе с 1988 - 1990 гг.), в первую очередь  ЭС, а в последние годы системы, воспринимающие естественный язык (ЕЯ-системы), и нейронные сети (НС) стали активно  использоваться в коммерческих приложениях.

Следует обратить внимание на то, что некоторые специалисты (как правило, специалисты в программировании, а не в ИИ) продолжают утверждать, что ЭС и СИИ не оправдали возлагавшихся  на них ожиданий и умерли. Причины  таких заблуждений состоят в  том, что эти авторы рассматривали  ЭС как альтернативу традиционному  программированию, т.е. они исходили из того, что ЭС в одиночестве (в  изоляции от других программных средств) полностью решают задачи, стоящие  перед заказчиком. Надо отметить, что  на заре появления ЭС специфика используемых в них языков, технологии разработки приложений и используемого оборудования (например, Lisp-машины) давала основания предполагать, что интеграция ЭС с традиционными, программными системами является сложной и, возможно, невыполнимой задачей при ограничениях, накладываемых реальными приложениями. Однако в настоящее время коммерческие инструментальные средства (ИС) для создания ЭС разрабатываются в полном соответствии с современными технологическими тенденциями традиционного программирования, что снимает проблемы, возникающие при создании интегрированных приложений.