8.2 Базы знаний

8.2.1 Понятие знания. Пять основных свойств знаний

Вопрос о принятии решений экономической информационной системой в современных системах управления объектом требует наличия знаний об этом управляемом объекте и реализации моделей принятия решений, характерных для специалиста (инженера, технолога, экономиста, бухгалтера). Способность человека накапливать и использовать знания, принимать решения называют естественным интеллектом. Соответствующие возможности информационной системы получили название «искусственный интеллект».

Обязательным элементом, определяющим эффективность функционирования любой системы искусственного интеллекта (СИИ), являются знания — специальная форма представления информации, позволяющая человеческому мозгу хранить, воспроизводить и понимать ее и представляющая совокупность структурированных теоретических и эмпирических положений предметной области. Знания представлены в различной форме, обладают определенными свойствами, связаны синтаксическими, семантическими и прагматическими отношениями и позволяют решать прикладные задачи. Грань, отделяющая информацию от знаний, условна. Общепризнано, что знания имеют пять важных свойств, позволяющих считать их таковыми: внутреннюю интерпретируемость, рекурсивную структурируемость, взаимосвязь единиц, наличие семантического пространства с метрикой и активность.

1) Внутренняя интерпретируемость. Вместе с информацией, представляющей собственно элемент данных, в памяти стало возможным хранить систему имен, связанную с такой информационной единицей. Наличие системы имен позволяет системе «знать», что хранится в ее памяти, и, следовательно, отвечать на запросы о содержании памяти, которые могут порождаться в процессе выполнения программ в самой системе поступать извне от пользователей либо других систем.

2) Рекурсивная структурируемость. Информационные единицы при необходимости могут расчленяться на более мелкие и объединяться в более крупные по принципу матрешки. Для этих операций могут использоваться родовидовые отношения и принадлежность элементов к классу. В действительности число структурообразующих отношений насчитывает более 200.

3) Взаимосвязь единиц. Между единицами возможно установление самых разнообразных отношений, отражающих семантику и прагматику связей явлений и фактов. Когда между информационными единицами в памяти системы возникает система отношений, фрагментами этой структуры начинают определяться новые информационные единицы.

4) Наличие семантического пространства с метрикой. Оно характеризует близость-удаленность информационных единиц, Специалисты в области когнитивной психологии (психологии знания) считают, что знания не могут быть бессистемным «сборищем» отдельных информационных единиц, а должны быть взаимосвязанными и взаимозависимыми в некотором общем для них когнитивном семантическом пространстве.

5) Активность. В программировании процедурам всегда отводилась роль активизирующего начала. Они отражали способ решения задачи, активизировали необходимые данные, пассивно лежащие в памяти системы. Эта «безгласность» данных в ЭВМ не находит аналогов у человека. Для когнитивных структур в нашей памяти характерна внутренняя активность: мы используем те или иные процедуры при возникновении определенной ситуации. То или иное соотношение между информационными единицами побуждает нас к тем или иным действиям, для реализации которых должны быть выполнены определенные процедуры. Активность базы знаний позволяет СИИ формировать мотивы, ставить цели и строить процедуры для их выполнения.

В настоящее время не создано баз знаний СИИ, в которых в полной мере были бы реализованы все свойства знаний. Основными причинами этого являются: ограниченные возможности используемых моделей представления знаний, неполнота знаний предметных областей, несовершенство методов приобретения знаний и несоответствие типов используемых знаний и моделей их представления. Справедливость этого вывода подтверждается практикой создания СИИ, в частности экспертных систем.

Знания существуют в различных формах: в памяти человека (эксперта); материализованные (канонизированные) знания (учебники, монографии и т.п.); полуформализованная структурированная модель (поле) знаний; формализованное знание на некотором языке представления; в базе знаний. Знания в СИИ представлены на внешнем, логическом и физическом уровнях.

Существуют различные подходы к классификации знаний. Предлагаемые классификации носят открытый характер. Так, выделяют декларативные и процедурные знания, глубинные, поверхностные и мягкие знания. Рассматривают теоретические и эмпирические знания в зависимости от уровня их осмысления. Содержание знаний служит основой для выбора структуры их представления.

В практике разработки СИИ обозначилась тенденция перехода от использования поверхностных знаний к глубинным и мягким. Глубинные знания образуются как результат обобщения первичных понятий в некоторые абстрактные структуры, которые могут и не иметь вербального описания. Мягкие знания допускают множественные, расплывчатые решения и приводят к различным вариантам рекомендаций.

Использование глубинных и мягких знаний позволяет создать БЗ большой мощности. Глубинные знания обладают такими важными особенностями, как гибкость и аддитивность (лат. additio — прибавление; получаемый путем сложения).

Поверхностные знания представляют собой совокупность эмпирических ассоциаций и отношений между понятиями предметной области для стандартных рассуждений и ситуаций.

Наибольший интерес для построения баз знаний СИИ представляют концептуальные и экспертные знания. Концептуальные знания выражают свойства объектов, процессов и ситуаций через понятия (базовые элементы) соответствующей области. Описание понятия включает описание его компонентов, указания взаимосвязи с другими понятиями, а также операциональную часть, содержащую зависимости между компонентами понятий. Концептуальные знания — более глубинные и жесткие. Применять их целесообразнее при решении задач анализа.

Экспертные знания — это знания специалистов предметной области. Они аккумулируют накопленный практический опыт, навыки и приемы в соответствующей области. Этот тип знаний играет наиболее важную роль в слабоструктурированных предметных областях, в которых отсутствуют формальные модели. Их роль также велика в тех областях, где применимы формальные методы, но при этом необходимо принимать решения и делать выбор в первую очередь на основе опыта. Экспертные знания более мягкие и поверхностные. Совместное использование концептуальных и экспертных знаний является крайне важным и перспективным, ибо они вместе покрывают значительную часть плоскости знаний СИИ и позволяют сочетать ассоциативные и логические рассуждения для решения задач при низких вычислительных затратах.

Синтаксические знания характеризуют синтаксическую структуру описываемого объекта или процесса, которая не зависит от смысла и содержания используемых при этом понятий. Семантические знания содержат информацию, непосредственно связанную со знанием и смыслом описываемых объектов и процессов. Прагматические знания описывают объекты и процессы относительно целей решаемой задачи.

К понятию знание близко примыкает понятие предметной области. В научной литературе сформировалось обобщенное определение предметной области (ПрО) как совокупности элементов, объектов, явлений, процессов, их количественных и качественных характеристик, а также связей между ними, объединенных общей идеей, определенным смыслом или понятием более высокого уровня. Эта область может быть описана в виде некоторой совокупности сведений о ее структуре, основных характеристиках, процессах, протекающих в ней, а также в виде способов решения задач. Значительную роль играют отношения, Именно они определяют смысловую сторону, окончательно формируют конкретную ПрО, выделяя ее из других областей или случайного скопления фактов. Упорядоченная и систематизированная совокупность знаний образует модель знаний ПрО.

Система понятий для представления знаний существенно отличается от понятий для представления данных, поэтому отображение знаний производится в базу знаний. Кроме того, база знаний хранит данные как простую разновидность знаний.

Запросы, которые формулируются пользователями информационной системы, реализуются одним из двух возможных способов:

• сообщения, являющиеся ответом на запрос, хранятся в явном виде в БД, и процесс получения ответа представляет собой выделение подмножества значений из файлов БД, удовлетворяющих запросу;

• ответ не существует в явном виде в БД и формируется в процессе логического вывода на основании имеющихся данных.

Последний случай принципиально отличается от рассмотренной ранее технологии использования баз данных и рассматривается в рамках представления знаний, т.е. информации, необходимой в процессе получения новых фактов.

База знаний содержит сведения следующих типов:

1. отражающие существующие в предметной области закономерности и позволяющие выводить новые факты, справедливые в данном состоянии предметной области, но отсутствующие в БД, а также прогнозирующие потенциально возможные состояния предметной области;

2. о структуре ЭИС и БД (метаинформация);

3. обеспечивающие понимание входного языка, т.е. перевод входных запросов во внутренний язык.