Назначение экспертных систем

В режиме консультации общение с ЭС осуществляет конечный пользователь, которого интересует результат  и (или) способ его получения. Необходимо отметить, что в зависимости от назначения ЭС пользователь может не быть специалистом в данной проблемной области (в этом случае он обращается к ЭС за результатом, не умея получить его сам), или быть специалистом (в этом случае пользователь может сам получить результат, но он обращается к ЭС с целью либо ускорить процесс получения результата, либо возложить на ЭС рутинную работу). В режиме консультации данные о задаче пользователя после обработки их диалоговым компонентом поступают в рабочую память. Решатель на основе входных данных из рабочей памяти, общих данных о проблемной области и правил из БЗ формирует решение задачи. ЭС при решении задачи не только исполняет предписанную последовательность операции, но и предварительно формирует ее. Если реакция системы не понятна пользователю, то он может потребовать объяснения: 

"Почему система  задает тот или иной вопрос?", "как ответ, собираемый системой, получен?". 

Структуру, приведенную  на рис. 1.1, называют структурой статической  ЭС. ЭС данного типа используются в  тех приложениях, где можно не учитывать изменения окружающего  мира, происходящие за время решения  задачи. Первые ЭС, получившие практическое использование, были статическими.  
 
 

На рис. 1.2 показано, что в архитектуру динамической ЭС по сравнению со статической ЭС вводятся два компонента: подсистема моделирования внешнего мира и подсистема связи с внешним окружением. Последняя осуществляет связи с внешним миром через систему датчиков и контроллеров. Кроме того, традиционные компоненты статической ЭС (база знаний и машина вывода) претерпевают существенные изменения, чтобы отразить временную логику происходящих в реальном мире событий. 

Подчеркнем, что  структура ЭС, представленная на рис. 1.1 и 1.2, отражает только компоненты (функции), и многое остается "за кадром". На рис. 1.3 приведена обобщенная структура современного ИС для создания динамических ЭС, содержащая кроме основных компонентов те возможности, которые позволяют создавать интегрированные приложение в соответствии с современной технологией программирования. 
 

Этапы разработки экспертных систем 

Разработка ЭС имеет существенные отличия от разработки обычного программного продукта. Опыт создания ЭС показал, что использование  при их разработке методологии, принятой в традиционном программировании, либо чрезмерно затягивает процесс создания ЭС, либо вообще приводит к отрицательному результату.  

Использовать  ЭС следует только тогда, когда разработка ЭС возможна, оправдана и методы инженерии знаний соответствуют  решаемой задаче. Чтобы разработка ЭС была возможной для данного  приложения, необходимо одновременное  выполнение по крайней мере следующих требований: 

1) существуют  эксперты в данной области,  которые решают задачу значительно  лучше, чем начинающие специалисты; 

2) эксперты сходятся  в оценке предлагаемого решения,  иначе нельзя будет оценить  качество разработанной ЭС; 

3) эксперты способны  вербализовать (выразить на естественном языке) и объяснить используемые ими методы, в противном случае трудно рассчитывать на то, что знания экспертов будут "извлечены" и вложены в ЭС; 

4) решение задачи  требует только рассуждений, а  не действий; 

5) задача не  должна быть слишком трудной  (т.е. ее решение должно занимать  у эксперта несколько часов  или дней, а не недель); 

6) задача хотя  и не должна быть выражена  в формальном виде, но все же должна относиться к достаточно "понятной" и структурированной области, т.е. должны быть выделены основные понятия, отношения и известные (хотя бы эксперту) способы получения решения задачи; 

7) решение задачи  не должно в значительной степени  использовать "здравый смысл" (т.е. широкий спектр общих сведений  о мире и о способе его  функционирования, которые знает  и умеет использовать любой  нормальный человек), так как подобные  знания пока не удается (в  достаточном количестве) вложить  в системы искусственного интеллекта. 

Использование ЭС в данном приложении может быть возможно, но не оправдано. Применение ЭС может быть оправдано одним из следующих факторов: 

 решение задачи  принесет значительный эффект, например  экономический; 

 использование  человека-эксперта невозможно либо  из-за недостаточного количества  экспертов, либо из-за необходимости  выполнять экспертизу одновременно  в различных местах; 

 использование  ЭС целесообразно в тех случаях,  когда при передаче информации  эксперту происходит недопустимая  потеря времени или информации; 

 использование  ЭС целесообразно при необходимости  решать задачу в окружении,  враждебном для человека. 

Приложение соответствует  методам ЭС, если решаемая задача обладает совокупностью следующих характеристик: 

1) задача может  быть естественным образом решена  посредством манипуляции с символами  (т.е. с помощью символических  рассуждений), а не манипуляций  с числами, как принято в  математических методах и в  традиционном программировании; 

2) задача должна  иметь эвристическую, а не алгоритмическую  природу, т.е. ее решение должно  требовать применения эвристических  правил. Задачи, которые могут быть  гарантированно решены (с соблюдением  заданных ограничений) с помощью  некоторых формальных процедур, не подходят для применения  ЭС; 

3) задача должна  быть достаточно сложна, чтобы  оправдать затраты на разработку  ЭС. Однако она не должна быть  чрезмерно сложной (решение занимает  у эксперта часы, а не недели), чтобы ЭС могла ее решать; 

4) задача должна  быть достаточно узкой, чтобы  решаться методами ЭС, и практически  значимой. 

При разработке ЭС, как правило, используется концепция "быстрого прототипа". Суть этой концепции  состоит в том, что разработчики не пытаются сразу построить конечный продукт. На начальном этапе они  создают прототип (прототипы) ЭС. Прототипы должны удовлетворять двум противоречивым требованиям: с одной стороны, они должны решать типичные задачи конкретного приложения, а с другой - время и трудоемкость их разработки должны быть весьма незначительны, чтобы можно было максимально запараллелить процесс накопления и отладки знаний (осуществляемый экспертом) с процессом выбора (разработки) программных средств (осуществляемым инженером по знаниям и программистом). Для удовлетворения указанным требованиям, как правило, при создании прототипа используются разнообразные средства, ускоряющие процесс проектирования. 

Прототип должен продемонстрировать пригодность методов  инженерии знаний для данного  приложения. В случае успеха эксперт  с помощью инженера по знаниям  расширяет знания прототипа о  проблемной области. При неудаче  может потребоваться разработка нового прототипа или разработчики могут прийти к выводу о непригодности  методов ЭС для данного приложения. По мере увеличения знаний прототип может  достигнуть такого состояния, когда  он успешно решает все задачи данного  приложения. Преобразование прототипа  ЭС в конечный продукт обычно приводит к перепрограммированию ЭС на языках низкого уровня, обеспечивающих как  увеличение быстродействия ЭС, так  и уменьшение требуемой памяти. Трудоемкость и время создания ЭС в значительной степени зависят от типа используемого  инструментария. 

В ходе работ  по созданию ЭС сложилась определенная технология их разработки, включающая шесть следующих этапов (рис. 1.4): 

идентификацию, концептуализацию, формализацию, выполнение, тестирование, опытную эксплуатацию. На этапе идентификации определяются задачи, которые подлежат решению, выявляются цели разработки, определяются эксперты и типы пользователей. 
 
 

  

На этапе концептуализации проводится содержательный анализ проблемной области, выявляются используемые понятия  и их взаимосвязи, определяются методы решения задач. 

На этапе формализации 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. 

На этапе выполнения 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. 
 

Интерфейс с конечным пользователем 

Система G2 предоставляет  разработчику богатые возможности  для формирования простого, ясного и выразительного графического интерфейса с пользователем с элементами мультипликации. Предлагаемый инструментарий позволяет наглядно отображать технологические  процессы практически неограниченной сложности на разных уровнях абстракции и детализации. Кроме того, графическое  отображение взаимосвязей между  объектами приложения может напрямую использоваться в декларативных  конструкциях языка описания знаний. 

RTworks не обладает собственными средствами для отображения текущего состояния управляемого процесса. Разработчик приложения вынужден использовать систему Dataview фирмы VI Corporation, что в значительной степени ограничивает его возможности. 

Интерфейс с  пользователем TDC Expert ограничен возможностями системы TDC 3000, т.е. взаимодействие с конечным пользователем 

ограничивается  текстовым режимом работы. 

Представление знаний в экспертных системах

Первый и основной вопрос, который надо решить при  представлении знаний, - это вопрос определения состава знаний, т.е. определение того, "ЧТО ПРЕДСТАВЛЯТЬ" в экспертной системе. Второй вопрос касается того, "КАК ПРЕДСТАВЛЯТЬ" знания. Необходимо отметить, что эти  две проблемы не являются независимыми. Действительно, выбранный способ представления может оказаться непригодным в принципе либо неэффективным для выражения некоторых знаний.

По нашему мнению, вопрос "КАК ПРЕДСТАВЛЯТЬ" можно  разделить на две в значительной степени независимые задачи: как  организовать (структурировать) знания и как представить знания в  выбранном формализме.

Стремление выделить организацию знаний в самостоятельную  задачу вызвано, в частности, тем, что  эта задача возникает для любого языка представления и способы  решения этой задачи являются одинаковыми (либо сходными) вне зависимости  от используемого формализма. 

Итак, в круг вопросов, решаемых при представлении  знаний, будем включать следующие: 

определение состава  представляемых знаний; 

организацию знаний; 

представление знаний, т.е. определение модели представления. Состав знаний ЭС определяется следующими факторами: 

проблемной средой; 

архитектурой  экспертной системы; 

потребностями и целями пользователей; 

языком общения.

В соответствии с общей схемой статической экспертной системы (см. рис. 1.1) для ее функционирования требуются следующие знания:

 знания о  процессе решения задачи (т.е.  управляющие знания), используемые  интерпретатором (решателем);

 знания о  языке общения и способах организации  диалога, используемые лингвистическим  процессором (диалоговым компонентом);

 знания о  способах представления и модификации  знаний, используемые компонентом  приобретения знаний;

 поддерживающие  структурные и управляющие знания, используемые объяснительным компонентом.

Для динамической ЭС, кроме того, необходимы следующие знания: