Лекція-5.
Технології розробки експертних систем
Класифікаційні ознаки експертних систем. Характеристика інструментальних засобів.
5.1. Визначення і структура
Як робоче визначення експертної системи приймемо наступне.
Експертні
системи (ЕС)
—
це складні програмні комплекси, що
акумулюють знання фахівців у конкретних
предметних областях і тиражуючи цей
емпіричний досвід для консультацій
менш кваліфікованих користувачів.
Вцілому процес функціонування ЕС можна представити в такий спосіб: користувач, що бажає одержати необхідну інформацію, через користувацький інтерфейс надсилає запит до ЕС; Вирішувач, користуючись базою знань, генерує і видає користувачу придатну рекомендацію, пояснюючи хід своїх міркувань за допомогою підсистеми пояснень.
Рис. 5.1. Структура експертної системи
Користувач — фахівець предметної області, для якого призначена система. Звичайно його кваліфікація недостатньо висока, і тому він потребує допомоги і підтримці своєї діяльності з боку ЕС.
Інженер по знаннях — фахівець в області штучного інтелекту, що виступає в ролі проміжного буфера між експертом і базою знань. Синоніми: когнітолог, інженер-інтерпретатор, аналітик.
Інтерфейс користувача — комплекс програм, що реалізують діалог користувача з ЕС як на стадії введення інформації, так і при одержанні результатів.
База знань (БЗ) — ядро ЕС, сукупність знань предметної області, записана на машинний носій у формі, яка зрозуміла експерту і користувачу (звичайно на деякій мові, наближеній до природної). Паралельно такому «людському» представленню існує БЗ у внутрішньому «машинному» представленні.
Вирішувач — програма, що моделює хід міркувань експерта на підставі знань, що містяться в БЗ. Синоніми: дедуктивна машина, машина виведення, блок логічного виведення.
Підсистема пояснень — програма, що дозволяє користувачу одержати відповіді на питання: «Як була отримана та чи інша рекомендація?» і «Чому система прийняла таке рішення?» Відповідь на питання «як» — це трасування всього процесу одержання рішення з вказівкою використаних фрагментів БЗ, тобто всіх кроків ланцюга умовиводів. Інтелектуальний редактор БЗ — програма, що надає інженеру по знаннях можливість створювати БЗ у діалоговому режимі. Містить у собі систему вкладених меню, шаблонів мови представлення знань, підказок («help» — режим) і інших сервісних засобів, що полегшують роботу з базою.
5.2. Класифікація експертних систем
Клас ЕС сьогодні поєднує кілька тисяч різних програмних комплексів, які можна класифікувати за різними критеріями. Корисними можуть виявитися класифікації, представлені на рис.5.2.
Рис. 5.2. Класифікація експертних систем
5.2.1. Класифікація по розв'язуваній задачі
Розглянемо зазначені на малюнку типи задач докладніше.
Інтерпретація даних. Це одна з традиційних задач для експертних систем. Під інтерпретацією розуміється процес визначення змісту даних, результати якого повинні бути погодженими і коректними.
Діагностика. Під діагностикою розуміється процес співвідношення об'єкта з деяким класом об'єктів і/чи виявлення несправності в деякій системі. Несправність — це відхилення від норми.
Моніторинг. Основна задача моніторингу — безперервна інтерпретація даних у реальному масштабі часу і сигналізація про вихід тих чи інших параметрів за допустимі межі.
Проектування. Проектування виявляється в підготовці специфікацій на створення «об'єктів» із заздалегідь визначеними властивостями. Під специфікацією розуміється весь набір необхідних документів — креслення, пояснювальної записки і т.д. Основні проблеми тут — одержання чіткого структурного опису знань про об'єкт і проблема «сліду». Для організації ефективного проектування, а ще в більшій мірі перепроектування необхідно формувати не тільки самі проектні рішення, але і мотиви їхнього прийняття.
Прогнозування. Прогнозування дозволяє пророкувати наслідки деяких подій чи явищ на підставі аналізу наявних даних.
Планування. Під плануванням розуміється знаходження планів дій, що відносяться до об'єктів, здатним виконувати деякі функції.
Навчання. Під навчанням розуміється використання комп'ютера для навчання якоїсь дисципліни чи предмету. Системи навчання діагностують помилки при вивченні якої-небудь дисципліни за допомогою ЕОМ і підказують правильні рішення.
Управління. Під управлінням розуміється функція організованої системи, що підтримує визначений режим діяльності. Такого роду ЕС здійснюють керування поведінкою складних систем відповідно до заданих специфікацій.
Підтримка прийняття рішень. Підтримка прийняття рішення — це сукупність процедур, що забезпечує особу, яка приймає рішення, необхідною інформацією і рекомендаціями, що полегшують процес прийняття рішення. Ці ЕС допомагають фахівцям вибрати і/або сформувати потрібну альтернативу серед безліч виборів при прийнятті відповідальних рішень.
У загальному випадку всі системи, що базуються на знаннях, можна підрозділити на системи, що вирішують задачі аналізу, і на системи, що вирішують задачі синтезу. Основна відмінність задач аналізу від задач синтезу полягає в тому, що якщо в задачах аналізу може бути перераховано і включено в систему множини рішень, то в задачах синтезу множина рішень потенційно не обмежена і будується з рішень чи компонентів підпроблем. Задачами аналізу є: інтерпретація даних, діагностика, підтримка прийняття рішення; до задач синтезу відносяться проектування, планування, управління. Комбіновані: навчання, моніторинг, прогнозування.
5.2.2. Класифікація по зв'язку з реальним часом
Статичні ЕС розробляються в предметних областях, у яких база та інтерпретуючі дані не міняються з часом. Вони стабільні.
Приклад: діагностика несправностей в автомобілі.
Квазідинамічні ЕС інтерпретують ситуацію, що міняється з деяким фіксованим інтервалом часу.
Приклад: мікробіологічні ЕС, у яких знімаються лабораторні виміри з технологічного процесу один раз на 4-5 годин (виробництво лізина, наприклад) і аналізується динаміка отриманих показників стосовно попереднього виміру.
Динамічні ЕС працюють разом з датчиками об'єктів у режимі реального часу з неперервною інтерпретацією даних, що надходять у систему.
5.2.3. Класифікація по типу комп’ютера
На сьогоднішній день існують:
ЕС для унікальних стратегічно важливих задач на супер ЕОМ (Ельбрус, CRAY, CONVEX і ін.);
ЕС на ЕОМ середньої продуктивності (типу ЄС ЕОМ, mainframe);
ЕС на символьних процесорах і робочих станціях (SUN, Silicon Graphics, APOLLO);
ЕС на міні- і суперміні-ЕОМ (VAX, micro-VAX і ін.);
ЕС на персональних комп'ютерах (IBM PC, MAC II і т.п.).
5.2.4. Класифікація по ступеню інтеграції з іншими програмами
Автономні ЕС працюють безпосередньо в режимі консультацій з користувачем для специфічно «експертних» задач, для рішення яких не потрібно залучати традиційні методи обробки даних (розрахунки, моделювання і т.д.).
Гібридні ЕС представляють програмний комплекс, агрегуючий стандартні пакети прикладних програм і засоби маніпулювання знаннями.
Незважаючи на зовнішню привабливість гібридного підходу, слід зазначити, що розробка таких систем являє собою на порядок складнішу задачу, ніж розробка автономної ЕС. Стикування не просто різних пакетів, а різних методологій (що відбувається в гібридних системах) породжують цілий комплекс теоретичних і практичних труднощів.