Понятие и классификация интеллектуальных информационных систем

Понятие и классификация  интеллектуальных информационных систем

 

Интеллектуальная информационная система (ИИС) – это информационная система, которая основана на концепции  использования базы знаний для генерации  алгоритмов решения экономических  задач различных классов в  зависимости от конкретных информационных потребностей пользователей.

 

Программные средства, применяемые  в экономических информационных системах, можно разделить на следующие  группы:

 

1.    Проблемно-ориентированные  пакеты экономико-математического  моделирования.

 

2.    Пакеты программ  статистического анализа данных.

 

3.    Программные  средства интеллектуализации доступа  к базе данных.

 

4.    Средства эвристического  решения задач анализа диагностики  и прогнозирования на основе  применения экспертных систем (ЭС).

 

5.    Программы анализа  и прогнозирования управленческой  деятельности на основе использования  аппарата нейронных сетей, а  также баз знаний (БЗ) прецедентов.

 

6.    Программные  средства динамического планирования  на основе использования Сase-технологий.

 

Интеллектуальные информационные системы охватывают от 3 до 6 направлений.

 

Классификация ИИС (рис. 7.1). В зависимости от совей природы знание бывает фактуальное и операционное.

 

Фактуальное знание – осмысленные данные. Операционное знание – общие зависимости между фактами, которые позволяют интерпретировать данные или извлекать из них новую информацию.

 

К главным недостаткам  традиционной ИС относятся:

 

1.     Слабая адаптируемость к информационным потребностям пользователя.

 

2.     Невозможность  решать плохо формализуемые задачи.

 

Перечисленные недостатки устраняются  в ИИС. ИИС имеют следующие  характерные признаки:

 

·     развитые коммуникативные  способности;

 

·     умение решать сложные, плохо формализуемые задачи (характеризуются наполовину качественным и количественным описанием, а хорошо формализуемые задачи – полностью  количественным описанием);

 

·     способность  к развитию и самообучению.

 

Условно каждому из этих признаков соответствует свой класс  ИИС:

 

I класс: системы с интеллектуальным  интерфейсом (коммуникативные способности):

 

1.    Интеллектуальные  БД;

 

2.    Естественно-языковой интерфейс;

 

3.    Гипертекстовые  системы;

 

4.    Контекстные  системы;

 

5.    Когнитивная  графика.

 

II класс: экспертные системы  (решение сложных задач):

 

1.    Классифицирующие  системы;

 

2.    Доопределяющие  системы;

 

3.    Трансформирующие  системы;

 

4.    Многоагентные системы.

 

III класс: самообучающиеся  системы (способность к самообучению):

 

1.      Индуктивные  системы;

 

2.      Нейронные  сети;

 

3.      Системы,  основанные на прецедентах;

 

4.      Информационные  хранилища.

 

 

 

 

Рис. 7.1. Классификация ИИС

 

Интеллектуальные БД –  отличаются от обычных возможностью выборки по запросу информации, которая  может явно не храниться, а выводиться из имеющейся БД (например, вывести  список товаров, цена которых выше отраслевой).

 

Естественно-языковой интерфейс  предполагает трансляцию естественно-языковых конструкций на машинный уровень  представления знаний. При этом осуществляется распознавание и проверка написанных слов по словарям и синтаксическим правилам. Данный интерфейс облегчает  обращение к интеллектуальным БД, а также голосовой ввод команд в системах управления.

 

Гипертекстовые системы  предназначены для поиска текстовой  информации по ключевым словам в базах.

 

Системы контекстной помощи – частный случай гипертекстовых и естественно-языковых систем.

 

Системы когнитивной графики  позволяют осуществлять взаимодействие пользователя ИИС с помощью графических  образов.

7.2. Назначение, структура  и основные характеристики экспертной  системы

 

Экспертная система (ЭС) –  это ИИС, предназначенная для  решения слабоформализуемых задач на основе накапливаемого в базе знаний опыта работы экспертов в проблемной области. Она включает базу знаний с набором правил и механизмом вывода и позволяет на основании предоставляемых пользователем фактов распознать ситуацию, поставить диагноз, сформулировать решение или дать рекомендацию для выбора действия.

 

Экспертные системы предназначены  для воссоздания опыта, знаний профессионалов высокого уровня и использования  этих знаний в процессе управления. Они разрабатываются с использованием математического аппарата нечеткой логики для эксплуатации в узких  областях применения, поскольку их использование требует больших  компьютерных ресурсов для обработки  и хранения знаний. В основе построения экспертных систем лежит база знаний, которая основывается на моделях  представления знаний. В силу больших финансовых и временных затрат в российских экономических ИС экспертные системы не имеют большого распространения.

 

Считается, что любая экспертная система – это система, основанная на знаниях, но последняя не всегда является экспертной. В системах, основанных на знаниях, правила (или эвристики), по которым решаются проблемы в конкретной предметной области, хранятся в базе знаний. Проблемы ставятся перед системой в виде совокупности фактов, описывающих  некоторую ситуацию, и система  с помощью базы знаний пытается вывести  заключение из этих фактов.

 

Система функционирует в  следующем циклическом режиме: выбор (запрос) данных или результатов  анализов, наблюдение, интерпретация  результатов, усвоение новой информации, выдвижение с помощью правил временных  гипотез и затем выбор следующей  порции данных или результатов анализов. Такой процесс продолжается до тех  пор, пока не поступит информация, достаточная  для окончательного заключения.

 

Более простые системы, основанные на знаниях, функционируют в режиме диалога, или режиме консультации. После  запуска система задает пользователю ряд вопросов о решаемой задаче, требующих ответа «да» или «нет». Ответы служат для установления фактов, по которым может быть выведено окончательное  заключение.

 

В любой момент времени  в системе содержится три типа знаний:

 

·    структурированные  статические знания о предметной области, после того как эти знания выявлены, они уже не изменяются;

 

·    структурированные  динамические знания – изменяемые знания о предметной области; они  обновляются по мере выявления новой  информации;

 

·    рабочие знания, применяемые для решения конкретной задачи или проведения консультации.

 

Все перечисленные выше знания хранятся в базе знаний. Для ее построения требуется провести опрос специалистов, являющихся экспертами в конкретной предметной области, а затем систематизировать, организовать и снабдить эти знания указателями, чтобы впоследствии их можно было легко извлечь из базы знаний.

 

Архитектура экспертной системы. Архитектура ЭС представлена на рис. 7.2. База знаний (БЗ) отражает знания экспертов. Однако далеко не каждый эксперт в  состоянии грамотно изложить всю  структуру своих знаний.

 

Выявлением знаний эксперта и представлением их в БЗ занимаются специалисты – инженеры знаний.

 

ЭС должна обладать механизмом приобретения знаний для ввода знаний в базу и их последующее обновление.

 

В простейшем случае – это  интеллектуальный редактор, который  позволяет вводить единицы знаний в базу, а также проводить их анализ на непротиворечивость.

 

Области применения систем, основанных на знаниях, могут быть сгруппированы  в несколько основных классов: прогнозирование, планирование, контроль и управление, обучение.

 

Технологию построения экспертных систем называют инженерией знаний. Этот процесс требует специфической  формы взаимодействия создателя  экспертной системы, которого называют инженером знаний, и одного или  нескольких экспертов в некоторой  предметной области. Инженер знаний «извлекает» из экспертов процедуры, стратегии, эмпирические правила, которые они используют при решении задач, и встраивает эти знания в экспертную систему.

 

 

Рис. 7.2. Архитектура ЭС

 

В результате появляется система, решающая задачи во многом так же, как  человек-эксперт.

 

Ядро экспертной системы  составляет база знаний, которая создается  и накапливается в процессе ее построения. Знания выражены в явном  виде и организованы так, чтобы упростить  принятие решений. Накопление и организация  знаний – одна из самых важных характеристик  экспертной системы.

 

Наиболее полезной характеристикой  экспертной системы является то, что  она применяет для решения  проблем высококачественный опыт. Этот опыт может представлять уровень  мышления наиболее квалифицированных  экспертов в данной области, что  ведет к решениям творческим, точным и эффективным. Именно высококачественный опыт в сочетании с умением  его применять делает систему  рентабельной, способной заслужить  признание на рынке. Этому также  способствует гибкость системы. Система  может наращиваться постепенно в  соответствии с нуждами бизнеса  или заказчика. Это означает, что  можно вначале вложить сравнительно скромные средства, а потом наращивать возможности системы по мере необходимости.

 

Другой полезной чертой экспертных систем является наличие у них  прогностических возможностей. Экспертная система может функционировать  в качестве модели решения задачи в заданной области, давая ожидаемые  ответы в конкретной ситуации и показывая, как изменятся эти ответы в  новых ситуациях. Экспертная система  может объяснить подробно, каким  образом новая ситуация привела  к изменениям. Это позволяет пользователю оценить возможное влияние новых  фактов или информации и понять, как они связаны с решением. Аналогично пользователь может оценить  влияние новых стратегий или  процедур на решение, добавляя новые  правила или изменяя уже существующие.

 

Важным свойством экспертных систем является возможность их применения для обучения и тренировки персонала. Экспертные системы могут быть разработаны  с расчетом на подобный процесс обучения, так как они уже содержат необходимые  знания и способны объяснить процесс  своего рассуждения. Остается только добавить программное обеспечение, поддерживающее соответствующий требованиям эргономики интерфейс между обучаемым и экспертной системой. Кроме того, должны быть включены знания о методах обучения и возможном поведении пользователя.

 

Итак, в настоящее время  ЭС является инструментом, усиливающим  интеллектуальные способности всей системы в целом, и выполняет  следующие задачи:

 

1) консультация для неопытных  (непрофессиональных) пользователей,

 

2) помощь при анализе  различных вариантов принятия  решения,

 

3) помощь по вопросам, относящимся к смежным областям  деятельности.

 

Наиболее широко и продуктивно  ЭС применяются в бизнесе, производстве, медицине, менее – в науке.

7.3. Инструментальные средства  разработки экспертных систем

 

Благодаря появлению специальных  инструментальных средств построения ЭС сократились сроки разработки, значительно снизилась трудоемкость. Инструментальные средства построения ЭС можно разбить на три основных типа:

 

·    языки программирования;

 

·    среды программирования;

 

·    пустые ЭС (оболочки).

 

С точки зрения разработчика экспертных систем, наибольший интерес  представляет использование сред программирования и пустых экспертных систем (оболочек), хотя не всегда можно заметить разницу  между этими понятиями.

 

К числу таких средств  первой группы относятся языки обработки  символьной информации, наиболее известными из которых являются Пролог и Лисп. Пролог – язык высокого уровня, ориентированный  на использование концепций и  методов математической логики. Как  следует из его названия, Пролог предназначен для программирования в терминах логики. Основной особенностью Пролога, отличающей его от всех других языков, является декларативный характер написанных на нем программ. Язык Лисп изобретен в Массачусетском технологическом  институте и обладает способностью обрабатывать списковые структуры. Языки программирования Лисп и Пролог имеют встроенные механизмы для  манипулирования знаниями.

 

Помимо Лиспа и Пролога  создано множество других языков, ориентированных на обработку символьной информации и разработку ЭС: Smalltalk, FRL, Interlisp. Кроме этих специализированных языков для разработки экспертных систем используются и обычные языки программирования общего назначения: Си, Ассемблер, Паскаль, Фортран, Бейсик и др.

 

Общим недостатком языков программирования для создания экспертных систем являются: большое время разработки готовой системы, необходимость  привлечения высококвалифицированных  программистов, трудности с модификацией готовой системы. Все это делает применение языков программирования для  реализации ЭС весьма дорогостоящим  и трудоемким.

 

Инструментальные средства второго типа – среды программирования – позволяют разработчику не программировать  некоторые или все компоненты ЭС, а выбирать их из заранее составленного  набора.

 

При применении последнего типа инструментария (пустых ЭС, или  «оболочек») разработчик ЭС полностью  освобождается от работ по созданию программ и занимается лишь наполнением  базы знаний.

 

Типичным представителем второй и третьей групп инструментальных средств является пакет EXSYS Professional 5.0 for Windows (оболочка – по определению разработчика – компании MultiLogic Inc., США) и его последующая модификация Exsys Developer 8.0, предназначенный для создания прикладных экспертных систем в различных предметных областях. Система построена на использовании сложных правил вида ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ. Для выбора стратегии получения заключения в системе по умолчанию используется обратная цепочка вывода. Прямая цепочка может быть задана при настройке системы. Система обладает развитым графическим интерфейсом, способна обращаться к внешним базам данных, проверять правила на непротиворечивость. При определенной настройке может работать с русскоязычными текстами.