Основы искусственного интеллекта.

1. Основы теории экспертных систем. Общая характеристика ЭС. Виды ЭС и типы решаемых задач. Структура и режимы использования ЭС. Перспективы развития экспертных систем.

2. Основы теории распознавания образов. Общая постановка проблемы. Детерминированные, вероятностные, логические и структурные методы

3. Основы нейросетевых технологий. Нейроклетка - разработка формальной модели. Классы нейронных сетей. Методы обучения.

1. Основы теории экспертных систем. Общая характеристика эс. Виды эс и типы решаемых задач. Структура и режимы использования эс. Перспективы развития экспертных систем.

Назначение экспертных систем заключается в решении достаточно трудных для экспертов задач на основе накапливаемой базы знаний, отражающей опыт работы экспертов в рассматриваемой проблемной области.

Экспертные системы – это прикладной пакет программ, предназначенный для решения так называемых интеллектуальных задач на основе о проблемной области и опыта специалистов, представленного множеством машинных процедур и описаний.

Такие задачи имеют определенную специфику, которая заключается в следующем:

- нечеткой постановке или неполноте исходных данных задачи;

- отсутствии точного алгоритма решения задачи;

- огромного числа возможных исходов, подлежащих анализу;

- невозможности формализации задача (задача не может быть определена в числовой форме или цели задачи не могут быть выражены в терминах точно определенной целевой функции);

- существенном использовании механизмов индукции и других нетрадиционных логических исчислений. Индуктивный способ – получения правдоподобных знаний на основе перехода от знаний меньшей общности к знаниям большей общности, а также установление правдоподобности общих утверждений на основе частных

Экспертная система — это программное средство, использующее знания экспертов, для высокоэффективного решения задач в интересующей пользователя предметной области. Она называется системой, а не просто программой, так как содержит базу знаний, решатель проблемы и компоненту поддержки. Последняя из них помогает пользователю взаимодействовать с основной программой.

Эксперт — это человек, способный ясно выражать свои мысли и пользующийся репутацией специалиста, умеющего находить правильные решения проблем в конкретной предметной области. Эксперт использует свои приёмы и ухищрения, чтобы сделать поиск решения более эффективным, и ЭС моделирует все его стратегии.

Цель замены эксперта мотивируется следующим образом:

Во-первых, эксперт может сменить место работы по ряду причин.

Во-вторых, знания одного эксперта "закрыты" для других

В-третьих, эксперт не в состоянии быстро накапливать и усваивать знания в силу физиологических ограничений.

В-четвертых, использование человека-эксперта невозможно в системах реального времени.

Из этого, разумеется, не следует вывод об устранении эксперта из процесса решения задачи полностью. Очевидно, что одним из основных критериев применимости ЭС является достигаемая эффективность замены системой человека эксперта.

Инженер знаний — человек, как правило, имеющий познания в информатике и искусственном интеллекте и знающий, как надо строить ЭС. Инженер знаний опрашивает экспертов, организует знания, решает, каким образом они должны быть представлены в ЭС, и может помочь программисту в написании программ.

Средство построения ЭС — это программное средство, используемое инженером знаний или программистом для построения ЭС. Этот инструмент отличается от обычных языков программирования тем, что обеспечивает удобные способы представления сложных высокоуровневых понятий.

Пользователь — это человек, который использует уже построенную ЭС. Так, пользователем может быть юрист, использующий её для квалификации конкретного случая; студент, которому ЭС помогает изучать информатику и т. д.

Характеристики экспертной системы

Сердцевину экспертной системы составляет база знаний, которая накапливается в процессе ее построения. Знания выражены в явном виде и организованы так, чтобы упростить принятие решений.

- Накопление и организация знаний - одна из самых важных характеристик экспертной системы. Последствия этого факта выходят за пределы построения программы, предназначенной для решения некоторого класса задач. Причина в том, что знания - основа экспертных систем - являются явными и доступными, что и отличает эти системы от большинства традиционных программ.

- Наиболее полезной характеристикой экспертной системы является то, что она применяет для решения проблем высококачественный опыт. Этот опыт может представлять уровень мышления наиболее квалифицированных экспертов в данной области, что ведет к решениям творческим, точным и эффективным. Именно высококачественный опыт в сочетании с умением его применять, делает систему рентабельной, способной заслужить признание на рынке. Этому способствует также гибкость системы. Система может наращиваться постепенно в соответствии с нуждами бизнеса или заказчика. Это означает, что можно вначале вложить сравнительно скромные средства, а потом наращивать ее возможности по мере необходимости.

- Другой полезной чертой экспертных систем является наличие у них прогностических возможностей. Экспертная система может функционировать в качестве системы обработки информации или модели решения задачи в заданной области, давая ожидаемые ответы в конкретной ситуации и показывая, как изменятся эти ответы в новых ситуациях. Экспертная система может объяснить подробно, каким образом новая ситуация привела к изменениям. Это позволяет пользователю оценить возможное влияние новых фактов или информации и понять, как они связаны с решением. Аналогично, пользователь может оценить влияние новых стратегий или процедур на решение, добавляя новые правила или изменяя уже существующие.

- База знаний, определяющая компетентность экспертной системы, может также обеспечить новое качество: институциональную память. Если база знаний разработана в ходе взаимодействия с ведущими специалистами учреждения, отдела или штаба, то она представляет текущую политику или способы действия этой группы людей. Этот набор знаний становится сводом очень квалифицированных мнений и постоянно обновляющимся справочником наилучших стратегий и методов, используемых персоналом. Ведущие специалисты уходят, но их опыт остается. Это важно для деловой сферы и особенно ценно для вооруженных сил и правительственных органов с их частыми преобразованиями и персональными перемещениями.

-И последним важным свойством экспертных систем является то, что их можно использовать для обучения и тренировки руководящих работников и ведущих специалистов. Экспертные системы могут быть разработаны с расчетом на подобный процесс обучения, так как они уже содержат необходимые знания и способны объяснить процесс своего рассуждения. Необходимо только добавить программное обеспечение, поддерживающее соответствующий требованиям эргономики интерфейс между обучаемым и экспертной системой. Знания о методах обучения и возможном поведении пользователя также должны быть включены. В качестве инструмента обучения экспертная система обеспечивает новых служащих обширным багажом опыта и стратегий, по которым можно изучать рекомендуемую политику и методы. Систему можно также адаптировать для обучения новичков конкретным заданиям.

Достоинство применения экспертных систем заключается в возможности принятия решений в уникальных ситуациях, для которых алгоритм заранее не известен и формируется по исходным данным в виде цепочки рассуждений (правил принятия решений) из базы знаний. Причем решение задач предполагается осуществлять в условиях неполноты, недостоверности, многозначности исходной информации и качественных оценок процессов.

Экспертная система является инструментом, усиливающим интеллектуальные способности эксперта, и может выполнять следующие роли:

• консультанта для неопытных или непрофессиональных пользователей;

• ассистента в связи с необходимостью анализа экспертом различных вариантов принятия решений;

• партнера эксперта по вопросам, относящимся к источникам знаний из смежных областей деятельности.

Экспертные системы используются во многих областях: сельское хозяйство, бизнес, химия, образование, медицина, производство, наука, армия, транспорт и др.

Структура экспертных систем

Основой любой ЭС является совокупность знаний, структурированная в целях упрощения процесса принятия решения. Для специалистов в области искусственного интеллекта термин знания означает информацию, которая необходима программе, чтобы она вела себя «интеллектуально». Эта информация принимает форму фактов и правил. Факты и правила в ЭС не всегда либо истинны, либо ложные. Иногда существует некоторая степень неуверенности в достоверности факта или точности правила. Если это сомнение выражено явно, то оно называется «коэффициентом доверия».

Коэффициент доверия - это число, которое означает вероятность или степень уверенности, с которой можно считать данный факт или правило достоверным или справедливым.

Знания в ЭС организованы так, чтобы знания о предметной области отделить от других типов знаний системы, таких как общие знания о том, как решать задачи или знание о том, как взаимодействовать с пользователем. Структура ЭС приведена на рисунке 3.

Такие ЭС получили название статических ЭС. Эти ЭС используются в тех приложениях, где можно не учитывать изменения окружающего мира за время решения задачи.

Выделенные знания о предметной области называются базой знаний. .База знаний содержит факты (данные) и правила (или другие представления знаний), использующие эти факты как основу для принятия решений.

Механизм (машина) логического вывода - часть ЭС (системы, основанной на знаниях), реализующая анализ поступающей в ЭС и имеющейся в ней информации и формирование (вывод) на ее основе новых заключений (суждений) в ответ на запрос к системе. В подавляющем большинстве систем, основанных на знаниях, механизм вывода представляет собой небольшую по объему программу и включает два компонен­та.

1) Интерпретатор, определяющий как применять правила для вывода новых знаний на основе информации, хранящейся в БЗ.

Интерпретатор продукций работает циклически. В каждом цикле он просматривает все правила, чтобы выявить те, посылки которых совпадают с известными на данный момент фактами из рабочей памяти. После выбора правило срабатывает, его заключение заносится в рабочую память, и затем цикл повторяется сначала. В одном цикле может сработать только одно правило. Если несколько правил успешно сопоставлены с фактами, то интерпретатор производит выбор по определенному критерию единственного правила, которое срабатывает в данном цикле.

2) Диспетчер, устанавливающий порядок применения этих правил.

База данных (рабочая память) предназначена для информационного обеспечения работы механизма логического вывода, прежде всего в части хра­нения и обработки поступивших (новых) фактов (суждений) и промежуточных результатов логического вывода.

Компонент приобретения знаний автоматизирует процесс наполнения ЭС знаниями, осуществляемый пользователем-экспертом.

Объяснительный компонент. Наличие компонента объяснений, обеспечивающего по запросу пользователя выдачу информации о ходе и исходе логического вывода, принципиально отличает ЭС от всех других программных систем. Дело в том, что в большинстве случаев конечному пользователю недостаточно сообщить лишь конечное заключение ЭС, которое он должен (может) использовать в своей профессиональной деятельности. Гораздо большее доверие вызывает у него конечный вывод, подтвержденный понятными промежуточными рассуждениями. Кроме того, с помощью компонента объяснений можно организовать процесс обучения конечных пользователей работе с ЭС. В обучающих ЭС компонент объяснений играет еще более важную роль.

Диалоговый компонент ориентирован на организацию дружественного общения с пользователем, как в ходе решения задач, так и в процессе приобретения знаний и объяснения результатов работы.

По сравнению со статической ЭС, в динамическую вводится ещё два компонента:

- подсистема моделирования внешнего мира;

- подсистема сопряжения с внешним миром.

Динамические ЭС осуществляет связи с внешним миром через систему контроллеров и датчиков. Кроме того компоненты БЗ и механизма вывода существенно изменяются, чтобы отразить временную логику происходящих в реальном мире событий.