15.2. Архитектура систем планирования и метапланирования
Экспертная система MOLGEN, предназначенная для планирования экспериментов в исследованиях по молекулярной генетике, имеет многоуровневую организацию, в которой каждый более верхний уровень управляет расположенными ниже. Такой вид организации экспертной системы получил в литературе название метауровневой архитектуры (meta-level architecture). Идея состоит в том, что в дополнение к представлению "первого уровня" проблемы в предметной области добавить еще более высокие уровни, представляющие такие понятия, как возможные действия с объектами предметной области, критерии выбора и комбинирования таких действий.
В терминологии системы MOLGEN уровни управления называются пространствами планирования (planning space). Программа использует три таких пространства, каждое из которых имеет собственные объекты и операторы, которые взаимодействуют друг с другом с помощью протоколов передачи сообщений (см. главу 7). Схематически организация уровней управления в системе MOLGEN представлена на рис. 15.1. На этой схеме в левой части прямоугольников, представляющих каждое пространство планирования, приведен список некоторых операторов этого пространства. Интерпретатор организует внешний цикл управления системой. Фактически он формирует и следит за соблюдением определенной стратегии поведения системы. Как будет показано ниже, в этих стратегиях реализуется логический вывод суждений на метауровне, которые управляют способом решения проблемы планирования эксперимента.
Мы начнем анализ архитектуры системы MOLGEN с самого нижнего уровня — пространства лабораторных экспериментов (laboratory space). В этом пространстве содержатся знания об объектах и операциях, выполняемых в лаборатории в процессе проведения экспериментов. Объектами этого пространства являются те сущности, которыми манипулируют лаборанты, а операторы — это те действия, которые с этими сущностями могут выполняться, например сортировка, слияние и т.д. Мы не будем подробно останавливаться на этом уровне. Читатели, которых интересуют подробности его организации, могут обратиться к статьям Стефика [Stefik, 1981, а] и [Stefik, I981, b].
Пространство разработки (design space) содержит знания о планах проведения экспериментов в форме классов операторов для выполнения следующих действий:
проверки прогнозируемых характеристик и выявления необычных характеристик объектов — операторы сравнения (comparison-operators),
формирования предложений относительно целей, операций и прогнозируемых результатов — операторы временного расширения (temporal-extension operators);
уточнения этапов плана в соответствии с имеющимися ограничениями — операторы специализации (specialization operators).
Например, оператор Propose-Goal (предложение цели) относится к группе операторов временного расширения и устанавливает для лабораторного пространства цели проведения экспериментов. Оператор Check-Prediction (проверка прогнозируемых результатов) относится к группе операторов сравнения и выполняет сравнение прогнозируемых результатов экспериментов с текущей целью. Оператор Refine-Operator (уточнение) входит в группу операторов специализации. Он заменяет в форме уточняемого плана абстрактные этапы в операциях пространства лабораторных экспериментов на более конкретные.
Рис. 15.1. Организация пространств планирования в системе MOLGEN ([Stefik, 1981,b])
Каждому оператору назначается определенный уровень приоритета. Как правило, операторы сравнения имеют более высокий приоритет, чем операторы временного расширения, а последние имеют приоритет перед операторами специализации. Такое ранжирование операторов является, по существу, одним из отражений стратегии наименьшего принуждения, поскольку операции с более высоким приоритетом, как правило, оставляют большую свободу действий на будущее, чем операторы с более низким приоритетом. В той предметной области, для которой предназначена система MOLGEN, с помощью этих операторов моделируется экспертность специалистов, разрабатывающих эксперименты, но общие принципы организации этой системы вполне применимы и в других областях проектирования и планирования.
Большую роль в системе MOLGEN (как, впрочем, и в других приложениях, предназначенных для решения проблем конструирования) играют следующие три операции с ограничениями.
Формулирование ограничений. Эта операция формирует ограничения для пространства решений. Если воспользоваться примером из области планирования компоновки помещений, то такой операцией будет принятие решения, что кухня и столовая должны быть расположены рядом.
Распространение ограничений. Эта операция организует передачу информации между подзадачами, которые являются в определенной мере независимыми. Например, компоновка помещений на верхнем и нижнем этажах коттеджа является почти независимыми задачами, но они связаны друг с другом наличием одних и тех же ограничений в виде расположения лестниц и элементов водопроводной системы.
Удовлетворение ограничений. Эта операция собирает информацию об ограничениях, извлекая ее из деталей реализации отдельных подзадач проектирования. Например, при планировке помещений можно попробовать подгонять планировку верхнего и нижнего этажей таким образом, чтобы облегчить выполнение подзадачи планирования системы водоснабжения.
Полезно попытаться охарактеризовать отдельные операции в терминах тех ограничений, которые на них накладываются. Например, если проблема состоит в том, чтобы выяснить, что делать сегодня вечером, а текущая операция — это "пойти в кино", то можно сказать, что эта операция недоопределена (underconstrained), если в городке есть более одного кинотеатра. В более общем смысле операция является недоопределенной, если отсутствует вся необходимая информация для того, чтобы эта операция могла быть однозначно реализована в терминах более детальных этапов. Но операция "пойти посмотреть фильм-ужастик" является переопределенной (overconstrained), если в городке нет ни одного кинотеатра, в котором бы шел такой фильм. В более общем смысле операция является переопределенной в том случае, если любая попытка выполнить ее приводит к нарушению наложенных ограничений.
Назначение пространства стратегий (strategy space) — выработка суждений об этапах плана в пространстве разработки. Основным инструментом для этого являются эвристики стратегии наименьшего принуждения. Если операторы пространства разработки отвечают за формирование последовательности этапов выполнения в предметной области, то операторы пространства стратегий отвечают за формирование последовательности выполнения операторов пространства разработки. Таким образом, можно утверждать, что операторы этого пространства выполняют метапланирование.
Пространство стратегий системы MOLGEN состоит из следующих операторов, которые мы будем описывать в терминах сообщений, передаваемых сущностям управляемого пространства разработки.
Оператор Focus посылает сообщение "find task" каждому оператору пространства разработки, побуждающее его найти такую задачу, которую этот оператор мог бы выполнить в развитии текущего плана. Затем предлагаемые операции включаются в список и сортируются в порядке приоритетов соответствующих операторов. Не все из этих операций могут быть действительно выполнены. Некоторые из них недоопределены, а другие— переопределены. Оператор Focus просматривает сформированный список и выполняет те задачи, которые могут быть выполнены, отсылая после каждого успешного выполнения сообщение "find task". Если обнаруживается недоопределенная задача, ее выполнение приостанавливается. Когда же будет обнаружена переопределенная задача, управление передается оператору Undo.
Оператор Resume во многом похож на оператор Focus. Отличие состоит в том, что он не формирует новые задачи, а старается выявить ранее приостановленные и повторно запустить их на выполнение.
Оператор Guess активизируется в том случае, когда оказывается, что все предлагаемые для дальнейших действий задачи являются недоопределенными. Возникает ситуация, когда обычный "регулярный" подход на основе стратегии наименьшего принуждения не позволяет определить следующее действие и нужно привлекать на помощь эвристики. Оператор Guess посылает каждой приостановленной задаче сообщение, предлагая оценить степень "полезности" опций, которыми располагает эта задача, а затем выбирает ту из них, у которой самый высокий рейтинг.
Оператор Undo активизируется, когда обнаруживается, что в план включена переопределенная задача. В этом случае складывается ситуация, в которой нельзя применить стратегию наименьшего принуждения. В том виде, в каком он реализован в системе MOLGEN, оператор Undo выглядит довольно примитивным. Он отыскивает тот этап, который привел к включению в план переопределенной задачи, и предлагает изъять его из плана.
В системе MOLGEN список актуальных операторов используется более гибко, чем в системах INTERNIST и CENTAUR, описанных в главе 13. Хотя во всех трех системах разделяется предложение задач к выполнению и их реальное выполнение, только архитектура MOLGEN позволяет задачам взаимодействовать нетривиальным способом. Как отметил Стефик (Stefik), если такое взаимодействие не организуется явным образом на более, высоких уровнях, оно может привести к весьма неожиданным результатам на более низких. Естественно, многоуровневая архитектура должна существенно упростить решение проблемы, если в ней правильно выполнено распределение нагрузки по уровням. По мере перехода на более высокие уровни решаемые задачи должны упрощаться. На самом высоком уровне, уровне интерпретатора, решается единственная тривиальная задача запуска на выполнение той подзадачи, которая стоит первой в списке актуальных.
Как уже отмечалось, основной "слабостью" системы MOLGEN является то, что в ней отсутствует достаточно совершенный механизм обратного прослеживания. Другими словами, если вспомнить о наименовании стратегии предложение и пересмотр, то эта система сильна в выработке предложений, но слаба в их пересмотре, а потому ей не всегда удается "выкарабкаться" из ситуации, которая складывается после неудачного предложения.
В следующем разделе будет описана экспертная система, в которой используется та же парадигма предложение и пересмотр, но процесс пересмотра реализован более удачно.