Основи інтелектуальних систем

Тоді можна сформулювати наступні відмінності знань та даних:

• знання більш структуровані;
• в знаннях найбільшого значення мають не атомарні елементи знань (як в даних), а взаємозв’язки між ними;
• знання більш самостійно інтерпретуються, ніж дані, тобто в знаннях міститься інформація про те, як їх використовувати;
• знання активні на відміну від пасивних даних, тобто знання можуть породжувати дії системи, що використовує їх.

Слід мати на увазі, що різкої межі між даними і знаннями немає, оскільки в останні двадцять років розробники систем управління базами даних все більш роблять їх схожими на знання. Прикладом може служити застосування семантичних мереж (формалізму для представлення знань) для проектування баз даних та ін.

Таким чином, відмінності  знань від даних, перераховані вище, з розвитком засобів інформатики згладжуються.

ІС дозволяють проводити  автоматичну обробку даних в  умовах істотної апріорної неповноти  знань про те, як необхідно вести  цю обробку для отримання необхідного  результату.

 

5. Алгоритми

Під алгоритмом розумітимемо впорядковану та скінчену послідовність заданих дій, які однозначно визначені і можуть бути здійснені за допомогою сучасних ЕОМ за прийнятний для даного завдання час.

Термін "алгоритм" відбувається від імені узбецького математика Аль-хорезмі, який ще в IX столітті запропонував прості арифметичні алгоритми. У математиці і кібернетиці клас завдань певного типу вважається вирішеним, коли для її вирішення встановлений алгоритм. Знаходження алгоритмів є природною метою людини при рішенні ним різноманітних класів завдань. Відшукання алгоритму для завдань деякого даного типу пов’язане з тонкими і складними міркуваннями, що вимагають великої винахідливості і високої кваліфікації. Прийнято вважати, що подібного роду діяльність вимагає участі інтелекту людини. Завдання, пов’язані з відшуканням алгоритму рішення класу завдань певного типу, називатимемо інтелектуальними.

Основні вимоги до алгоритмів:

1. Кожний алгоритм  має справу з даними – вхідними, проміжними, вихідними. Для того, щоб уточними поняття даних, фіксується кінцевий алфавіт вхідних символів (цифри, букви та ін.) та вказуються правила побудови алгоритмічних об’єктів.

2. Алгоритм для розміщення  даних вимагає пам’яті. Пам’ять зазвичай вважається однорідною та дискретною, тобто вона складається з однакових комірок, причому кожна комірка може містити один символ даних, що дозволяє узгодити одиниці вимірювання об’єму даних та пам’яті.

3. Алгоритм складається  з окремих елементарних кроків, причому множина різних кроків, з яких складний алгоритм, є скінченною.

4. Послідовність кроків  алгоритму є детермінованою, тобто після кожного кроку вказується який крок необхідно виконати потім, або вказується коли роботу алгоритму вважати закінченою.

5. Алгоритм повинен  володіти результативністю, тобто зупинятися після скінченої кількості кроків з виданням результату. Дану властивість іноді називають збіжністю.

6. Алгоритм передбачає  наявність механізму реалізації, який за описом алгоритму створює процес обчислення на основі початкових (вхідних) даних.

Що ж до завдань, алгоритми рішення яких вже встановлені, то, як відзначає відомий фахівець в області штучного інтелекту М. Мінський, "надмірно приписувати їм таке містичне властивості, як "інтелектуальність". Насправді, після того, як такий алгоритм вже знайдений, процес рішення відповідних завдань стає таким, що його можуть в точності виконати чоловік, обчислювальна машина (належним чином запрограмована) або робот, що не мають щодного уявлення об суть самого завдання. Потрібний тільки, щоб особа, вирішальна завдання, була здатна виконувати ті елементарні операції, їх яких складається процес, і, крім того, щоб воно педантичне і акуратно керувалося запропонованим алгоритмом. Така особа, діючи, як говорять в таких випадках, чисто машинально, може успішно вирішувати будь-яку задачу даного типу.

Тому представляється  абсолютно природним виключити  їх класу інтелектуальних такі завдання, для яких існують стандартні методи рішення. Прикладами таких завдань  можуть служити чисто обчислювальні  завдання: рішення системи лінійних рівнянь алгебри, чисельна інтеграція диференціальних рівнянь і т.д. Для вирішення подібного роду завдань є стандартні алгоритми, що є певною послідовністю елементарних операцій, яка може бути легко реалізована у вигляді програми для обчислювальної машини. В протилежність цьому для широкого класу інтелектуальних завдань, таких, як розпізнавання образів, гра в шахи, доведення теорем і т. п., навпроти це формальне розбиття процесу пошуку рішення на окремі елементарні кроки часто виявляється вельми скрутним, навіть якщо само їх рішення нескладне.

Таким чином, ми можемо перефразовувати  визначення інтелекту як універсальний  надалгоритм, який здатний створювати алгоритми розв’язання конкретних завдань.

Ще цікавим зауваженням  тут є те, що професія програміста, виходячи з наших визначень, є однією з самих інтелектуальних, оскільки продуктом діяльності програміста є програми – алгоритми в чистому вигляді. Саме тому, створення навіть елементів штучного інтелекту повинно дуже сильно підвищити продуктивність його праці.

 

6. Архітектура систем штучного інтелекту

Систему прийнято вважати інтелектуальною, якщо в ній реалізовані три групи основних функцій:

• представлення та обробки даних;
• міркування;
• спілкування з користувачем природною мовою.

Ці узагальнені функції реалізуються як правило наступною сукупністю процедур:

1-а функція

• накопичення знань про предметну область;
• класифікація знань за критерієм прагматичної корисності та непротиріччя;
• структурування знань в напрямку їх використання в конкретній області;
• автоматична підтримка бази знань при її поповненні;
• отримання та обробка знань від декількох експертів;

2-а функція

• ініціалізація процесів отримання нових знань;
• співвіднесення нових знань зі старими;
• поповнення знань з отриманням логічного виведення, що відображає закономірності в предметній області та накопичених знаннях;
• узагальнення знань на основі більш часткових знань;
• логічне планування своєї діяльності;
• здійснення виведення на основі міркувань за аналогією та ін.;

3-я функція

• спілкування природною мовою (або підмножині професійної мови);
• навчання;
• адаптація в процесі взаємодії до спеціалістів різної кваліфікації;
• введення знань про цілі та можливості користувача, а також про власні можливості;
• формування пояснення своєї діяльності за запитом користувача;
• документування інформації у формі, що необхідна користувачу.

Природно, що вище перераховані процедури повинні бути реалізовані тією чи іншою формою організації системи, тобто її архітектурою.

В зв’язку з тим, ми будемо розглядати в основному перші дві функції, то розглянемо узагальнену структурно-функціональну схему СШІ спрощеного виду (рис. 4).

Архітектура конкретної СШІ визначається функціями конкретного складу задач та їх зв’язками між собою.

В наведеній схемі можна виділити два основні блоки: машини баз знань; розв’язувач, а також додаткові блоки: систему спілкування природною мовою, рецептори та ефектори.

Цей поділ на блоки абсолютно чітко відповідає узагальненим функціям СШІ.

МБЗ реалізують першу функцію СШІ – функцію представлення та обробки знань та складається з блоків:

1. База фактів містить факти, що носять конкретний характер: факти, що характеризують поточну ситуацію, поточний стан; факти, що характеризують ситуації, що вже мали місце (досвід).

 

 

2. База правил містить елементарні вирази, що називаються в теорії ШІ продукціями. Тут містяться закономірності, що представляють, як правило, причинно-наслідкові зв’язки предметної області. Це речення типе ЯКЩО–ТО–ІНАКШЕ.

3. База процедур зберігає прикладні програми. За допомогою цих процедур виконуються усі необхідні обчислення, перетворення та інші потрібні системі послідовності внутрішніх дій.

4. База закономірностей містить різні відомості, що відносяться до особливостей тієї предметної області, в якій буде функціонувати система. Це, наприклад, закони предметної області, емпіричні залежності.

5. База знань про себе містить списки того, що зберігається в поточний момент в інших базах:

• відомості про те, як представляються одиниці інформації різного типу;
• відомості про те, як взаємодіють окремі частини системи;
• відомості про те, як отримано розв’язок будь-якої конкретної задачі.

Іншими словами зберігаються на тому чи іншому рівні подробиці опису самої системи, її можливостей та способів функціонування.

6. База цілей містить такі цільові структури, які дозволяють організувати процеси руху від початкових фактів, закономірностей, правил та процедур до досягнення тієї цілі, яка поступила в систему від користувача або сформована в самій системі в процесі її функціонування. База цілей – це також спосіб представлення знань, як і база правил, але орієнтована на зв’язки об’єктів між собою через повідомлення, що дозволяє реалізовувати стратегію виводення, наприклад, за сценаріями.

7. Монітор баз знань – це програма управління усіма базами, що входять до бази знань. Дана програма організовує їх взаємодію між собою.

Таким чином, база фактів – це база даних, а база правил, база закономірностей, база цілей – складають основу бази знань предметної області.

Розв’язувач реалізує другу функцію СШІ – функцію міркувань, він складається з 7 елементів:

1. БДВ реалізовує дедуктивні рассуждения, за допомогою яких на основі загальних закономірностей з бази закономірностей, конкретних фактів з бази фактів та правил виведення з бази правил виводяться нові факти. За допомогою цього ж блоку відбувається пошук шляху на сценаріях при заданій кінцевій цілі.

2. Але строге формальне виведення може бути забезпечене не завжди, може бути відсутньою необхідна інформація, можуть існувати обмеження на прийнятті рішення та ін. Тому БІВ є доцільним в СШІ для організації виведення нових знань на основі узагальнених окремих понять та фактів, заміна операцій з окремими поняттями та фактами, операціями з їх множинами.

3. В процесі індуктивного та дедуктивного виведень можливі помилки. Щоб їх усунути необхідно використовувати певні вказівники правдоподібності сформованих правил, що реалізуються БПВ.

4. Оскільки СШІ повинна працювати на природній мові або на її підмножині з області професійної мови, то цей блок й повинен відображати ті міри правдоподібності правил, фактів, які є в природній мові у вигляді виразів: «ймовірно», «часто», «багато раз», … В блоці функціональні перетворення доцільно моделювати й правдоподібні міркування, тобто елементи перенесення властивостей, що виявлені для одних фактів та ситуацій, на інші, що здаються за набором ознак схожими на вже вивчені (рассуждения за аналогією та асоціації).

5. Блок планування – цей блок пов’язаний з усіма блоками та планує процес виведення залежно від конкретної ситуації.

6. Монітор розв’язувача – програма, що керує усіма блоками розв’язувача.

7. Блок робочого поля пам’яті відображає реальну ситуацію використання пам’яті комп’ютера при розв’язанні інтелектуальних задач. В ній (пам’яті) блоки індуктивного та дедуктивного виведення викликають з БЗ необхідні знання, щоб не викривляти БЗ різними перетвореннями, що потрібні для розв’язання задач.

6. Функціональна  структура використання CШІ

Рис. 5

Ця структура складається з трьох комплексів обчислювальних засобів (див. малюнок). Перший комплекс є сукупністю засобів, що виконують програми (виконавчу систему), спроектованих з позицій ефективного розв’язання завдань, має у ряді випадків проблемну орієнтацію. Другий комплекс - сукупність засобів інтелектуального інтерфейсу, що мають гнучку структуру, яка забезпечує можливість адаптації в широкому спектрі інтересів кінцевих користувачів. Третім комплексом засобів, за допомогою яких організовується взаємодія перших двох, є база знань, що забезпечує використання обчислювальними засобами перших двох комплексів цілісної і незалежної від оброблюючих програм системи знань про проблемне середовище. Виконавча система (ВС) об’єднує всю сукупність засобів, що забезпечують виконання сформованої програми. Інтелектуальний інтерфейс - система програмних та апаратних засобів, що забезпечують для кінцевого користувача використання комп’ютера для розв’язання завдань, які виникають в сфері його професійної діяльності або без посередників, або з незначною їх допомогою. База знань (БЗ) – займає центральне положення по відношенню до решти компонентів обчислювальної системи в цілому, через БЗ здійснюється інтеграція засобів ОС, завдань, що беруть участь у розв’язанні.