25. Экспертные системы. Основные понятия и области применения.

Понятие экспертной системы (ЭС). Основные принципы. База знаний и её отличие от БД. Глубокие и неглубокие ЭС. Основные компоненты ЭС и термины, их смысл, назначение и взаимосвязь (База знаний. Доска объявлений. Машина вывода. Инженер по знаниям. Эксперт. Интерпретатор. Планировщик. Повестка.)

Экспертная система (ЭС) – это программное средство, использующее экспертные знания для обеспечения высокоэффективного решения неформализованных задач в узкой предметной области. Основным назначением ЭС является разработка программных средств, которые при решении задач, трудных для человека, получают результаты, не уступающие по качеству и эффективности решения, решениям получаемым человеком-экспертом. ЭС используются для решения так называемых неформализованных задач, общим для которых является то, что:

• задачи не могут быть заданы в числовой форме;

• цели нельзя выразить в терминах точно определенной целевой функции;

• не существует алгоритмического решения задачи;

• если алгоритмическое решение есть, то его нельзя использовать из-за ограниченности ресурсов (время, память).

Основу ЭС составляет база знаний (БЗ) о предметной области, которая накапливается в процессе построения и эксплуатации ЭС. База знаний — совокупность знаний, относящихся к некоторой предметной области и формально представленных таким образом, чтобы на их основе можно было осуществлять рассуждения. БЗ отличается от базы данных (БД) тем, что в БД единицы информации представляют собой не связанные друг с другом сведения, формулы, теоремы, аксиомы. В БЗ те же элементы уже связаны как между собой, так и с понятиями внешнего мира. Информация в БЗ - это все необходимое для понимания, формирования и решения проблемы. Она содержит два основных элемента: факты (данные) из предметной области и специальные эвристики или правила, которые управляют использованием фактов при решении проблемы. Знания могут быть представлены несколькими способами: логической моделью, продукциями, фреймами и семантическими сетями. Знания являются явными и доступными, что отличает ЭС от традиционных программ, и определяет их основные свойства, такие, как:

1) Применение для решения проблем высококачественного опыта, который представляет уровень мышления наиболее квалифицированных экспертов в данной области, что ведет к решениям творческим, точным и эффективным.

2) Наличие прогностических возможностей, при которых ЭС выдаeт ответы не только для конкретной ситуации, но и показывает, как изменяются эти ответы в новых ситуациях, с возможностью подробного объяснения каким образом новая ситуация привела к изменениям.

3) Обеспечение такого нового качества, как институциональная память, за счeт входящей в состав ЭС базы знаний, которая разработана в ходе взаимодействий со специалистами организации, и представляет собой текущую политику этой группы людей. Этот набор знаний становится сводом квалифицированных мнений и постоянно обновляемым справочником наилучших стратегий и методов, используемых персоналом. Ведущие специалисты уходят, но их опыт остаeтся.

4) Возможность использования ЭС для обучения и тренировки руководящих работников, обеспечивая новых служащих обширным багажом опыта и стратегий, по которым можно изучать рекомендуемую политику и методы.

Основные принципы экспертных систем заключаются в том, что ЭС должны:

• хранить знания = хранить знания об определенной предметной области (факты, описания событий и закономерностей);

• представлять знания = уметь общаться с пользователем на ограниченном естественном языке (т.е. задавать вопросы и понимать ответы);

• приобретать знания = обладать комплексом логических средств для выведения новых знаний, выявления закономерностей, обнаружения противоречий;

• управлять процессом поиска решения = ставить задачу по запросу, уточнять её постановку и находить решение;

• разъяснять принятое решение = объяснять пользователю, каким образом получено решение.

По сложности и объему базы знаний ЭС бывают неглубокие и глубокие.

• Неглубокие (простые) ЭС имеют относительно малые БЗ. Доказательства их заключений обычно коротки, большинство выводов являются прямыми следствиями информации, хранимой в базе знаний. Такие ЭС в основном предназначены для решения относительно простых задач типа ответов на запросы по требуемой информации.

• Глубокие ЭС делают свои выводы обязательно из моделей происходящих процессов, хранящихся в базах знаний. Сама модель процесса представляет собой набор правил, предназначенных для объяснения большого количества эмпирических данных. В глубоких ЭС доказательства выводов значительно длиннее, основываются на знаниях, выведенных из моделей.

Типовая структура экспертной системы приведена на рисунке:

Машина вывода — это компьютерная программа, реализующая методологию обработки информации из базы знаний, производящая выдачу заключений и рекомендаций. Машина вывода выполняет управляющую структуру и интерпретатор данных (или правил, если в экспертной системе используются правила), то есть осуществляет управление использованием имеющихся данных. Основными элементами машины вывода являются:

1. интерпретатор (в большинстве экспертных систем — интерпретатор правил) выполняет выбранную программу - «повестку» — алгоритм функционирования (решения задачи);

2. планировщик управляет процессом выполнения «повесток» (правил), оценивая эффект применения различных правил с точки зрения приоритетов или других критериев.

Интерфейс пользователя должен обеспечивать два режима работы: режим приобретения знаний и режим решения задач. В режиме приобретения знаний эксперт общается с ЭС при посредничестве инженера знаний. В режиме решения задач ЭС для пользователя является или просто носителем информации (справочником), или позволяет получать результат и объясняет способ его получения.

Эксперты поставляют знания в экспертную систему и оценивают правильность получаемых результатов.

Инженер по знаниям - специалист по искусственному интеллекту, выступающий в роли промежуточного буфера между экспертом и базой знаний. Помогает эксперту выявить и структурировать знания. Синонимы: когнитолог, инженер-интерпретатор, аналитик. Программисты разрабатывают программное обеспечение экспертной системы и осуществляют его сопряжение со средой, в которой оно будет использоваться.

Доска объявлений – это область рабочей памяти, выделенная для описания текущей проблемы, со спецификацией входных и выходных данных и записью промежуточных результатов. На доске объявлений записываются текущие гипотезы и управляющая информация:

• план — стратегия, выбранная для решения проблемы;

• «повестка» — потенциальные действия, ожидающие выполнения;

• решения — гипотезы и альтернативные способы действий, сгенерированные системой.

Совокупность машины вывода и базы знаний, а при ее наличии – и рабочей памяти, образуют управляющий компонент экспертной системы, обеспечивающий интеллектуальность ее функционирования.