- •Иллюстрированный самоучитель по экспертным системам
- •Рядовым читателям
- •Студентам и преподавателям
- •Инженерам-программистам
- •Научным работникам
- •Глава 1. Что такое экспертная система?
- •Глава 1.
- •1.1. Смысл экспертного анализа
- •1.2. Характеристики экспертных систем
- •1.3. Базовые функции экспертных систем
- •1.3.1. Приобретение знаний
- •1.1. Забытый пароль
- •1.3.2. Представление знаний
- •1.2. Синтаксис и семантика представления семейных отношений
- •1.3.3. Управление процессом поиска решения
- •1.3. Обслуживание автомобиля
- •1.3.4. Разъяснение принятого решения
- •1.4. Загадка одного портрета
- •1.4. Резюме и структура книги
- •1.4.1. Текущее состояние проблемы
- •1.4.2. Распределение материала книги по главам
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 2. Обзор исследований в области искусственного интеллекта
- •Глава 2.
- •2.1. Классический период: игры и доказательство теорем
- •2.1.1. Поиск в пространстве состояний
- •2.1. Комбинаторный взрыв
- •2.1.2. Эвристический поиск
- •2.2. Алгоритм а
- •Конец алгоритма
- •2.2. Романтический период: компьютер начинает понимать
- •2.2.1. Система shrdlu
- •2.3. Сценарий посещения ресторана
- •2.2.2. Схемы представления знаний
- •2.4. Летучие мыши и проблема с пингвинами
- •2.3. Период модернизма: технологии и приложения
- •2.3.1. В знании сила
- •2.5. Процедуральное или декларативное знание
- •2.6. Машина логического вывода и база знаний
- •2.3.2. Периоды "зимней спячки" и "пробуждения" в истории искусственного интеллекта
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 3. Представление знаний
- •Глава 3.
- •3.1. Представление знаний: принципы и методы
- •3.1. Молотки, графины и теоремы
- •3.2. Планировщик strips
- •3.2.1. Таблицы операторов и методика "средство -анализ завершения"
- •3.2.2. Анализ метода представления и управления в strips
- •3.3. Формулировка подцелей в mygin
- •3.3.1. Лечение заболеваний крови
- •3.3.2. База знаний системы mycin
- •3.3.3. Структуры управления в mycin
- •3.2. Комбинация гипотез
- •3.4. Оценка и сравнение характеристик экспертных систем
- •3.4.1. Оценка системы mycin
- •3.4.2. Сравнение mycin и strips
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 4. Символические вычисления
- •Глава 4.
- •4.1. Символическое представление
- •4.2. Физическая символическая система
- •4.1. Главная гипотеза
- •4.3. Реализация символических структур на языке lisp
- •4.3.1. Структуры данных в языке lisp
- •4.2. Списки и точечные пары
- •4.3.2. Структура lisp-программы
- •4.3. Функции, их вычисление и проблема цитирования в clips
- •4.3.3. Приложение функции и лямбда-исчисление
- •4.3.4. Обработка списков
- •4.4. Примитивы в lisp
- •4.3.5. Сопоставление с образцом
- •4.4. Почему. Lisp не является языком представления знаний
- •4.4.1. Символический уровень и уровень знаний
- •4.4.2. Lisp и разработка программ
- •4.5. Гипотеза Смита
- •4.5. Языки представления знаний
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 5. Системы, основанные на знаниях
- •Глава 5.
- •5.1. Канонические системы
- •5.1. Смысл порождений
- •5.2. Системы порождающих правил для решения проблем
- •5.2.1. Синтаксис представления правил
- •Листинг 5.1. Оргправило системы mycin, записанное на языке clips
- •Листинг 5.2. Правило, в котором используются переменные
- •5.2.2. Рабочая память
- •Листинг 5.3. Набор правил для проблемы в системе strips
- •5.2. Трассировка программы управления роботом
- •5.3. Управление функционированием интерпретатора
- •5.3.1. Разрешение конфликтов
- •5.3. Разрешение конфликтов в cups
- •5.3.2. Прямая и обратная цепочки рассуждений
- •Листинг 5.4. Набор правил для построения башни из блоков
- •5.4. Трассировка программы строительства башни
- •5.3.3. Правила и метаправила
- •5.5. Свойство выпуклости в clips: пингвины обретают способность летать (или не обретают)
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Листинг 5.5. Набор диагностических правил заболеваний брюшной полости на языке clips
- •Глава 6. Ассоциативные сети и системы фреймов
- •Глава 6.
- •6.1. Графы, деревья и сети
- •6.2. Ассоциативные сети
- •6.2.1. Разделение видов узлов и когнитивная экономия
- •6.2.2. Анализ адекватности ассоциативных сетей
- •6.3. Представление типовых объектов и ситуаций
- •6.3.1. Основные понятия концепции фреймов
- •6.3.2. Фреймы и графы
- •6.3.3. Значения по умолчанию и демоны
- •6.1. Реализация фреймов и наследования в языке clips
- •6.3.4. Множественное наследование
- •6.3.5. Сравнение сетей и фреймов
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 7. Объектно-ориентированное программирование
- •Глава 7.
- •7.1. Язык krl
- •7.1. Процедуры и объекты
- •7.2. Языки loops и flavors
- •7.2.1. Передача сообщений
- •7.2. Формирование объекта класса на языке clips
- •7.2.2. Проблема наложения методов
- •7.2.3. Метаклассы
- •7.3. Языки clips и clos
- •7.3.1. Множественное наследование в clos и clips
- •Листинг 7.1. Объявление классов на языке clips
- •7.3.2. Наложение методов в clos и clips
- •7.3. Как сделать людей вежливыми
- •7.3.3. Метаклассы в clos и clips
- •Листинг 7.2. Файл nixon.H. Объявление классов, версия 1
- •Листинг 7.3. Файл nixon.H. Объявление классов, версия 2
- •Листинг 7.4. Файл nixon.H. Объявление классов, версия 3
- •Листинг 7.5. Файл nixon.H. Объявление классов, версия 4
- •7.5. Объектно-ориентированный анализ и конструирование экспертных систем
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 8. Логическое программирование
- •Глава 8.
- •8.1. Формальные языки
- •8.1.1. Исчисление высказываний
- •8.1.2. Исчисление предикатов
- •8.1. Снова о роботах и комнатах
- •8.2. Язык prolog
- •Листинг 8.1. Простая программа на языке prolog, определяющая отношение on (на)
- •8.3. Опровержение резолюций
- •8.3.1. Принцип резолюций
- •8.3.2. Поиск доказательства в системе резолюций
- •8.4. Процедурная дедукция в системе planner
- •8.5.1. Правила поиска в языке prolog
- •8.5.2. Управление поиском в системе mbase
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 9. Представление неопределенности знаний и данных
- •Глава 9.
- •9.1. Источники неопределенности
- •9.2. Экспертные системы и теория вероятностей
- •9.2.1. Условная вероятность
- •9.2.2. Коэффициенты уверенности
- •9.2.3. Коэффициенты уверенности и условные вероятности
- •9.3. Сомнительность и возможность
- •9.3.1. Нечеткие множества
- •9.3.2. Нечеткая логика
- •9.3.3. Теория возможности
- •9.4. Неопределенное состояние проблемы неопределенности
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 10. Приобретение знаний
- •Глава 10.
- •10.1. Теоретический анализ процесса приобретения знаний
- •10.1.1. Стадии приобретения знаний
- •10.1.2. Уровни анализа знаний
- •10.1. Оболочки CommonKads и kastus
- •10.1.3. Онтологический анализ
- •10.2. Оболочки экспертных систем
- •10.2.1. Система emycin
- •10.2.2. Сопровождение и редактирование баз знаний с помощью программы teiresias
- •10.3. Методы приобретения знаний
- •10.3.1. Использование опроса экспертов для извлечения знаний в системе compass
- •10.3.2. Автоматизация процесса извлечения знаний в системе opal
- •10.3.3. Графический интерфейс модели предметной области
- •10.3.4. Эффективность программы opal
- •10.4. Приобретение новых знаний на основе существующих
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 11. Эвристическая классификация (I)
- •Глава 11.
- •11.1. Классификация задач экспертных систем
- •11.2. Классификация методов решения проблем
- •11.2.1. Эвристическое сопоставление
- •11.2.2. Общность эвристической классификации
- •11.1. Определение понятия "оружие нападения"
- •11.3. Классификация или конструирование?
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 12. Эвристическая классификация (II)
- •Глава 12.
- •12.1. Инструментальные средства и задачи, решаемые экспертной системой
- •12.2. Эвристическая классификация в системах mud и more
- •12.2.1. Модель предметной области выполнения буровых работ
- •12.1. Диагностические правила в м u d
- •12.2.2. Стратегии приобретения знаний
- •12.2.3. Использование коэффициентов уверенности в программе more
- •12.2.4. Опыт эксплуатации системы more
- •12.3. Совершенствование стратегий
- •12.3.1. Уроки проекта guidon
- •12.3.2. Структура задач в системе neomycin
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 13. Иерархическое построение и проверка гипотез
- •Глава 13.
- •13.1. Влияние сложности пространства гипотез на организацию работы системы
- •13.1. Обход дерева
- •13.2. Структурированные объекты в centaur
- •13.2.1. Структура фреймов в centaur
- •13.2.2. Правила, включенные в прототипы
- •13.3. Формирование суждений на базе модели в системе internist
- •13.3.1. Представление знаний в дереве заболеваний
- •13.3.2. Методика выделения правдоподобных гипотез в internist
- •13.3.3. Проблемы, обнаруженные в процессе эксплуатации системы internist
- •13.4. Рабочая среда инженерии знаний tde
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 14. Решение проблем конструирования (I)
- •Глава 14.
- •14.1. Области применения методов конструктивного решения проблем
- •14.2. Система r1/xcon
- •14.2.1. Компоненты и ограничения
- •14.2.2. Использование текущего контекста для управления структурой задачи
- •14.1. Стратегии разрешения конфликтов lex и меа
- •14.2.3. Формирование суждений с учетом ограничений: метод Match
- •14.3. Использование знаний, развитие и расширение системы xcon
- •14.3.1. Извлечение знаний в системе r1/xcon
- •14.3.2. Совершенствование и расширение системы r1/xcon
- •14.2. Совершенствование системы xcon
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 15. Решение проблем конструирования (II)
- •Глава 15.
- •15.1. Стратегии конструирования
- •15.2. Архитектура систем планирования и метапланирования
- •15.1. Программа планирования мероприятий
- •15.3. Извлечение, представление и применение знаний о проектировании
- •15.3.1. Реализация обратного прослеживания в системе vt
- •15.3.2. Приобретение знаний с помощью системы salt
- •15.4. Итоги анализа систем решения проблем конструирования
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 16. Средства формирования пояснений
- •Глава 16.
- •16.1. Формирование пояснений на основе знаний
- •16.1.1. Подсистема формирования пояснений в mycin
- •16.1.2. Формирование пояснений в системах, производных от mycin
- •16.1.3. Формирование пояснений на основе фреймов
- •16.1.4. Организация вывода пояснений в системе centaur
- •16.1.5. Использование мультимедийного интерфейса для формирования пояснений
- •16.2. Формирование пояснений и автоматическое программирование
- •16.2.1. Автоматическое программирование в системе xplan
- •16.2.2. Проект Explainable Expert Systems
- •16.2.3. Планирование текстов пояснений и модели пользователей в pea
- •16.3. Перспективы дальнейших исследований методов формирования пояснений
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 17. Инструментальные средства разработки экспертных систем
- •Глава 17.
- •17.1. Общая характеристика инструментальных средств для построения экспертных систем
- •17.2. Оболочки экспертных систем
- •17.3. Языки программирования высокого уровня
- •17.3.1. Языки описания порождающих правил
- •17.3.2. Объектно-ориентированные языки
- •17.3.3. Языки логического программирования экспертных систем
- •17.3.4. Многофункциональные программные среды
- •17.1. Cups как многофункциональная среда программирования
- •17.3.5. Дополнительные модули
- •17.2. Логический вывод в разных контекстах
- •17.4. Использование инструментальных средств
- •17.4.1. Характерные сложности и способы их избежать
- •17.4.2. Выбор подходящего инструментария для разработки экспертной системы
- •17.4.3. Практическое освоение инструментальных средств
- •17.3. Правила и процедуры в инструментальной среде м.4
- •17.4.4. Стиль программирования
- •17.5. Некоторые максимы разработки экспертных систем
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 18. Системы с доской объявлений
- •Глава 18.
- •18.1. Принципы организации систем с доской объявлений
- •18.2. Системы hearsay, age и орм
- •18.2.1. Почему для hearsay-II выбрана такая архитектура
- •18.2.2. Использование источников знаний в hearsay-II
- •18.2.3. Система hearsay-III— оболочка для создания систем с доской объявлений
- •18.2.4. Инструментальные среды age и орм
- •18.3. Среда с доской объявлений вв
- •18.3.1. Уровни абстракции в среде вв
- •18.3.2. Системы вв1 и accord
- •18.3.3. Система protean
- •18.3.4. Интеграция стратегий логического вывода
- •18.3.5. Общая характеристика вв
- •18.4. Эффективность и гибкость модели с доской объявлений
- •18.4.1. Организация доски объявлений в системе gbb
- •18.4.2. Компоновка доски объявлений в среде erasmus
- •18.5. Организация параллельных вычислений в системах cage и poligon
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 19. Система отслеживания истинности предположений
- •Глава 19.
- •19.1. Отслеживание зависимостей
- •19.1.1. Релаксация в сети
- •19.1.2. Пересмотр допущений
- •19.1. Запись информации о связях
- •19.2. Пересмотр теорий высказываний
- •19.3. Немонотонное обоснование
- •19.2. Пара конфликтующих выражений
- •19.4. Работа со множеством контекстов
- •19.4.1. Отслеживание истинности предположений, основанное на анализе допущений
- •19.4.2. Использование систем отслеживания истинности предположений для диагностирования на основе моделей
- •19.5. Сравнение различных вариантов организации систем отслеживания истинности предположений
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 20. Формирование знаний на основе машинного обучения
- •Глава 20.
- •20.1. Индуктивное обучение
- •20.2. Система Meta-dendral
- •20.2.1. Формирование и уточнение правил
- •20.2.2. Пространство версий
- •20.2.3. Алгоритм отсеивания кандидатов
- •20.2.4. Сопоставление экземпляров с образцами в Meta-dendral
- •20.3. Построение дерева решений и порождающих правил
- •20.3.1. Структура дерева решений
- •20.3.2. Алгоритм формирования дерева решений по обучающей выборке
- •20.4. Уточнение наборов правил
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 21. Сети доверия
- •Глава 21.
- •21.1. Теория Демпстера—Шефера
- •21.1.1. Функции доверия
- •21.1.2. Применение теории Демпстера—Шефера к системе mycin
- •21.2. Методика Перла
- •21.1. Байесовские сети
- •21.3. Сравнение методов неточных рассуждений
- •21.4. Резюме
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 22. Рассуждения, основанные на прецедентах
- •Глава 22.
- •22.1. База прецедентов
- •22.1.1. Программа chef
- •22.1.2. Методы извлечения и адаптации прецедентов
- •2. Найти соответственное свойство в хранимых прецедентах.
- •3. Сравнить два значения и вычислить степень близости т.
- •4. Умножить эту оценку на вес свойства с.
- •22.2. Обучение с помощью компьютера: система сато
- •22.2.1. Предметная область программы сато
- •22.2.2. Расследования и рассуждения в юриспруденции
- •22.2.3. Обучение с помощью системы сато
- •22.3. Формирование отчетов в системе frank
- •22.4. Сравнение систем, основанных на правилах и прецедентах
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 23. Гибридные системы
- •Глава 23.
- •23.1. Методы обучения в системе odysseus
- •23.2. Системы odysseus и minerva
- •23.2.1. Оболочка экспертной системы minerva
- •23.2.2. Обучение в системе odysseus
- •23.3. Использование прецедентов для обработки исключений
- •23.4. Гибридный символический подход и нейронные сети
- •23.4.1. Нейронные сети
- •23.4.2. Scalir — гибридная система для извлечения правовой информации
- •23.4.3. Организация обучения в системе scalir
- •23.5. Будущее гибридных систем
- •Рекомендуемая литература
- •Упражнения
- •Глава 24. Заключение
- •Глава 24.
- •24.1. Загадка искусственного интеллекта
- •24.2. Представление знаний
- •24.3. Языки программирования систем искусственного интеллекта
- •24.4. Решение практических проблем
- •24.5. Архитектура экспертных систем
- •Рекомендуемая литература
- •Приложение.
- •А.1. Краткая история clips
- •А.2. Правила и функции в clips
- •А.2.1. Факты
- •А.2.2. Правила
- •А.2.3. Наблюдение за процессом интерпретации
- •А.2.4. Использование шаблонов
- •A.2.5. Определение функций
- •А.3. Объектно-ориентированные средства в clips
- •А.4. Задача "Правдолюбцы и лжецы"
- •А.4.1. Анализ проблемы
- •А.4.2. Онтологический анализ и представление знаний
- •А.4.3. Разработка правил
- •Листинг а.1. Трассировка решения задачи р0
- •Упражнение 1
- •А.4.4. Расширение набора правил — работа с составными высказываниями
- •Упражнение 2
- •Листинг а.2. Трассировка решения задачи р4
- •A.4.5. Обратное прослеживание и множество контекстов
- •Упражнение 3
- •Выявление противоречий
- •Подготовка рабочей памяти к выполнению отката
- •Выполнение отката
- •Упражнение 4
- •Восстановление контекста
- •Упражнение 5
- •А.4.6. Обработка метавысказываний
- •А.4.7. Полный листинг программы
- •А.5. Стиль программирования на языке clips
- •Упражнения
6.1. Графы, деревья и сети
Для описания многих видов абстрактных данных в информатике вообще и в теории искусственного интеллекта, в частности, очень широко используется терминология, заимствованная из теории графов. Следующие определения приведены здесь для того, чтобы показать, как эти заимствованные термины трактуются при описании структурированных объектов, что несколько отличается от их трактовки в "родной" математической сфере.
Рис. 6.1. Некоторые виды графов: а) обыкновенный граф; б) связный граф с петлей; в) обыкновенный ориентированный граф — дерево
Все определения сформулированы в предположении, что существуют два вида примитивов — узлы и связи. Узлы представляют собой исходящие и целевые пункты для связей и обычно каким-либо образом промаркированы. Связи также могут быть промаркированы, но это не обязательно. Все зависит от того, имеем ли мы дело со связями одного вида или разных. В общепринятой терминологии теории графов узлы называются "вершинами", а связи — "ребрами графа", или "дугами".
Определение 6.1. Если N— множество узлов, то любое подмножество NxN является обобщенным графом G. Если в парах подмножества NxN имеет значение порядок, то граф G является ориентированным.
На рис. 6.1 показаны разные типы графов. Обратите внимание на то, что граф не обязательно должен быть связным. Если задаться условием, что петли не допускаются, т.е. в каждой паре должны присутствовать разные узлы, то такой граф называется обыкновенным. Если на графе не допускаются не только петли, но и циклы (т.е. последовательность связей, в которой начальный и конечный узлы совпадают), то такой граф называется лесом.
Определение 6.2. Если G— обыкновенный граф, в котором имеется п узлов и п-1 связей и отсутствуют циклы, то такой граф является деревом.
Иными словами, дерево — это связный лес. Обычно один из узлов дерева является его корнем, например узел е на графе, представленном на рис. 6.1,в. Остальные узлы образуют ветвящуюся структуру "наследников" корневого узла, в которой отсутствуют циклы. Узлы, не имеющие наследников, являются терминальными, или "листьями" дерева, а остальные узлы называются промежуточными (нетерминальными).
В теории графов сетью называется взвешенный ориентированный граф, т.е. граф, в котором каждой связи сопоставлено определенное число. Обычно этими числами оценивается "стоимость" пути вдоль этой связи или длина связи, как на карте дорог. В каждом конкретном случае применения графа как формального средства описания проблемы эти числа могут трактоваться по-своему.
Следующее определение сети более близко к специфике задач искусственного интеллекта, которыми мы сейчас занимаемся.
Определение 6.3. Если L — это множество взвешенных связей, a N, как и ранее, множество узлов, то сеть — это любое подмножество NxLxN, в котором имеет значение порядок в триадах.
Связи в сети практически всегда являются ориентированными, поскольку отношения, представленные взвешенными связями, не должны быть симметричными.
Обыкновенные графы используются для представления взаимоотношений между объектами в пространстве или во времени. Можно использовать их и для представления более абстрактных причинно-следственных связей, как, например, связей между различными видами патологий в медицине (рис. 6.2). Доступ к такой информации связан в той или иной мере с использованием специальных средств прослеживания путей на графе, для которых разработаны самые различные алгоритмы (см., например, работу [Pearl, 1984]).
Рис. 6.2. Участок сети причинно-следственных связей ([Pople, 1982P
Для представления иерархических классификаций и сетей применяются деревья. Например, на рис. 6.3 показано дерево классификации болезней по расположению пораженного органа. Корневой узел дерева представляет множество всех болезней, а его наследники — группы болезней, соответствующие основному пораженному органу. Каждый из этих узлов будет иметь своих наследников, представляющих более узкие группы болезней, и т.д. Терминальные узлы дерева будут представлять конкретные заболевания.
Семантические сети вначале использовались для представления смысла выражений естественного языка человека, откуда и появилось название этого класса сетей. Теперь же они используются в качестве структуры, пригодной для представления информации общего вида, — узлы представляют некоторые концепты (понятия), а связи — отношения между концептами. На рис. 6.4 представлены два фрагмента семантической сети. Первый фрагмент представляет глагол давать и показывает, что этот глагол может иметь три вида взаимодействия с остальными членами предложения: с донором, реципиентом и с объектом, который должен быть передан. Надписи в узлах, к которым подходят связи, соответствуют классу сущностей, которые могут выступать в качестве субъектов связи. Так, донор и реципиент, как правило, —люди, а то, что нужно передать, — вещь.
Рис. 6.3. Обыкновенное дерево классификации болезней
a
б
Рис. 6.4. Фрагменты семантической сети: а) представление глагола "давать "; б) представление конкретного действия
Второй фрагмент соответствует конкретной фразе или конкретной реализации действия, означенного этим глаголом. Эту реализацию мы назвали давать-265. Смысл фразы состоит в том, что Джон передает Мери книгу "Война и мир". Фразу можно считать допустимой, поскольку все ее члены удовлетворяют ограничениям, специфицированным соответствующими узлами сети. Джон и Мери принадлежат к классу люди, а "Война и мир" — к классу книга, который, в свою очередь, является одним из видов класса вещи.
Обычно узел давать-265 связывается с узлом давать связью, которая указывает, что давать-265 — это одна из конкретных реализаций концепта (в данном случае действия) давать. Такого рода специальные связи часто называют ISA-связями (связями типа "это есть...").
Термин ассоциативные сети лучше отражает характер использования такого рода формальных структур для тех задач, которые мы рассматриваем. Поскольку аппарат ассоциативных сетей все шире используется для моделирования объектов и их взаимосвязей в конкретных предметных областях, что необходимо для построения экспертных систем, ниже мы рассмотрим их более детально.
