Глава 7 Теория экспертных систем

7.1 Предназначение экспертных систем

Системы искусственного интеллекта начали развиваться с развитием ЭВМ, но в силу недостаточности аппаратного обеспечения не получили распространения. Экспертные системы (ЭС) возникли на основе систем искусственного интеллек­та (СИИ). ЭС появились как самостоятельное направление исследований в рамках СИИ. Цель создания ЭС состоит в разработке компьютерных про­грамм, которые при решении трудных задач получают некоторые результаты, по своей эффективности превосходящие ре­шения, полученные с помощью человека - эксперта. Специалисты в области ЭС стали называть эту область инженерия знаний.

ЭС предназначены для решения сложных неформализованных задач.

Особенности неформализуемых задач:

1) невозможность задания условий в цифровом виде;

2) нет целевой функции;

3) не существует алгоритмического решения задачи;

4) существует алгоритмическое решение задачи, но невозможно его использовать (не хватает ОЗУ, времени и т.д.);

5) характерно для неформализованных задач ошибочность, неоднозначность, противоречивость исходных данных;

6) огромная размерность задач (перебор альтернатив очень велик);

7) данные задачи изменяются в динамике.

Таким образом, ЭС и СИИ при решении задач отличаются от обычных систем следующим:

- в них используется символьный способ представления данных, в отличие от цифрового способа;

- используется эвристический и символьный способы решения задач, в отличие от алгоритмического.

Основные преимущества ЭС:

1) Технология ЭС значительно расширяет круг практически значи­мых задач, которые можно решить на ЭВМ и решение которых приносит значительный экономический эффект.

2) Технология ЭС является единственным средством в решении проблем традиционного программирования:

- длительность разработки;

- высокая стоимость разработки сложных приложений;

- высокая стоимость сопровождения сложных систем.

3) Объединение технологии ЭС с технологией традиционного программирования позволяет резко повысить качество программных продуктов (программные продукты могут выполняться пользователями).

4) ЭС могут играть основную роль на стадиях проектирование ИС, производства, распространения, продажи, оказание услуг в любых областях;

5) Технология ЭС может обеспечить революционный прорыв в интеграции приложений при решении любых сложных и неформализуемых задач.

Хотя ЭС предназначены для решения неформализуемых задач, в то же время они не отвергают традиционного подхода к проектированию компьютерных программ.

Специфика ЭС по отношению к другим СИИ состоит в том, что ЭС используется для решения очень сложных задач, однако по качеству и эффектив­ности их решения не уступают решени­ям, полученным с помощью экспертов людей. При этом ЭС способны пополнять свои знания в ходе взаимодействия с экспер­том человеком.

7.2 Архитектура эс

Экспертные системы подразделяются на статические и динамические. Типовая структура статической ЭС приведена на рис. 7.1.

Рисунок 7.1

Рабочая память (база данных) предназначена для хранения исход­ных и промежуточных данных в текущий момент решения задачи. База знаний предназначена для хранения долгосрочных данных, которые используются для решения задачи, для хранения правил, описывающих преобразование данных, которые имеются в базе знаний.

Решатель (интерпретатор) формирует последовательность правил, которые приводят к решению задач, использует данные из базы данных и базы знаний.

Компонент приобретения знаний предназначен для автоматиза­ции приобретения знаний.

Объясняющий компонент объясняет каким образом система полу­чила данное решение или объясняет почему ЭС не получила реше­ние задачи. Объясняет, какие знания ЭС использовала для получе­ния решения задачи.

Диалоговый компонент ориентирован для организации дружест­венного общения ЭС с пользователем в ходе решения задач, в процессе приобретения знаний и в процессе объяснения результа­тов решения задач.

Особенностью статических ЭС является то, что эти системы предназначены для решения задач без учета изменений, происходящих в окружающей среде во время решения задачи.

Динамические ЭС учитывают изменения, происходящие в окру­жающей среде в течение времени решения задачи.

Структура динамической ЭС приведена на рис. 7.2.

Рисунок 7.2

В создании и использовании ЭС участвуют следующие специалисты:

1) Эксперт в проблемной области задач, которые будут ставиться и решаться экспертной системой; руководитель, для которого созда­ется ЭС. Основные функции эксперта: определение объема знаний (правил и данных), характеризующих проблемную область, полноты и правиль­ности знаний, получаемых ЭС.

2) Инженер по знаниям - специалист по разработке ЭС (использует­ся технология инженерии знаний). Инженер по знаниям осуществляет помощь для выявления и структуризации знаний, необходимых ЭС.

3) Программист - специалист по разработке инструментальных средств, программ поддержки и ускорения создания ЭС (замена инженера по знаниям - программистом).

ЭС работают в двух основных режимах:

1) Режим приобретения знаний. Общение с ЭС осуществляет человек-эксперт с помощью инженера по знаниям. Эксперт, используя «компонент приобретения знаний» пополняет ЭС знаниями. Эти знания позволяют ЭС в дальнейшем решать задачи без участия эксперта. Экс­перт описывает проблемную область в виде совокупности правил и данных. Правила описывают способы взаимодействия с данны­ми, характерными для данной области. Режиму приобретения знаний в традиционной системе соответствуют эта­пы: алгоритмизация, разработка программ, отладка программ. В отличие от обычной компьютерной системы в случае экспертных систем разработка программ осуществляется экспертом, который не владеет знаниями в области программирования.

2) Режим решения задачи (режим консультации). Общение с ЭС осу­ществляет конечный пользователь, которого интересует результат и способ получения результата.

Конечный пользователь может быть не специалистом в данной об­ласти. В таком случае он обращается к ЭС за результатом, поскольку не может получить его сам. Если конечный пользователь - специалист в данной области, он обращает­ся к ЭС для того, чтобы ускорить получение результата, либо возло­жить на ЭС рутинную работу.

В режиме консультации данные о задаче после обработки их в диа­логовом компоненте поступают в рабочую память. После этого решатель формирует решение задачи на основе входных данных из базы данных и общих данных по проблемной области и правил из базы знаний.

Если реакция ЭС непонятна пользователю, то он вправе по­требовать от ЭС объяснения, почему система задает тот или иной во­прос, или каким образом получен системой тот или иной результат.