Dubrovin

55

Рис.2.2.1. Обобщенная функциональная схема экспертной системы.

Ответ системы, как результат решения задачи, тоже вначале будет составлен на ВС-языке. Значит, от результатов семантической интерпретации зависит сколь точно система «поймет», что от нее требуется, и насколько эффективным (точным, полным и быстрым) будет решение задачи. Здесь стоит заметить, что точность семантической интерпретации зависит еще и от того, насколько универсальной будет принятая в системе структура данных. Как уже отмечалось, наиболее универсальной является предикатно-актантная структура данных, основанная на многоместных предикатах – функциях от элементарных высказываний о сущностях ПО, их свойствах и связях между ними. С ней хорошо согласуется структура ЭВМ фон-неймановской идеологии и все применяемые в информационных технологиях форматы представления данных (позиционный, анкетный и триадный).

Обработанный интерфейсом запрос поступает на вход универсального решателя. Универсальный решатель (УР). Напомним, что УР – это комплекс программ поиска, анализа и синтеза знаний, реализующий алгоритмы выбора из БЗ необходимых данных и правил их обработки. По типу задачи, сформулированной в запросе пользователя и изложенной после обработки интерфейсом (МИР или ПИ) на внутрисистемном языке, в УР определяется, какие знания из декларативной части БЗ и какие правила из процедурной части БЗ необходимы для ее решения. Комплекс программ логического анализа и синтеза представляет собой основной процессор обработки информации, содержащейся в базе знаний системы и в запросе пользователя. На основе анализа запроса КП из декларативной компоненты БЗ выбираются факты, а из процедурной компоненты БЗ – правила, необходимые для решения сформулированной в запросе задачи. Из правил составляются последовательности (цепочки процедур), обеспечивающие пошаговое решение задачи. Эти последовательности вместе с необходимой информацией, выбранной из декларативной части БЗ, передаются в оперативную память (ОП) системы, где происходит решение конкретной задачи и формируется на внутрисистемном (ВС) языке результат ее решения. Этот результат является ответом на запрос к системе того или иного пользователя. Программы УР обеспечивают также создание, организацию и ведение (поддержание в актуальном состоянии) базы знаний в соответствие с предписаниями когнитологов. В его составе есть также программы, осуществляющие синтез новых (недостающих) знаний на основе анализа данных, имеющихся в БЗ системы или заимствованных из внешних баз данных. Кроме этого комплекс выполняет функцию протоколирования всех действий, осуществляемых при решении каждой задачи, поступившей с запросом пользователя. По завершении решения задачи такой протокол в виде цепочки процедур, приведших к полученному результату, вместе с данными, которые при этом использовались, передается в модуль объяснения решений.

Таким образом, любой пользователь (КП или СП), обратившийся к системе с запросом на выполнение того или иного задания, может по желанию получить объяснение - с помощью каких правил и процедур было получено решение поставленной задачи. Такие объяснения представляют собой особый тип ответов системы на запросы пользователей. Дело в том, что если пользователю понятен результат решения задачи, то пояснение может и не потребоваться. В ином случае он может всегда его получить, сделав соответствующий запрос. Протоколы решения задач ведутся всегда, но они формулируются на внутрисистемном языке. Для изложения их на языке, который предпочитает пользователь, потребуется (как и при обработке результата решения задачи) соответствующая обработка программами семантической интерпретации и программами лингвистического синтеза.

Сформированный на внутрисистемном языке ответ на запрос пользователя (как результат решения задачи) передается для «перевода» на язык и форму представления, указанные пользователем в запросе к системе. Эта функция выполняется в два этапа. Сначала «работают» программы семантической интерпретации ответа системы в понятиях и терминах предметной области. Затем в «работу» включаются программы блока лингвистического синтеза

56

(ЛС), предназначенные для формирования понятного КП ответа системы на запрос к ней. Ответ должен быть дан на естественном для пользователя языке. Даже если ответ дается в виде схемы, трехмерной графики или анимации, то он все равно может потребовать сопровождения текстом или речью. Синтез ответа системы делается на основе анализа семантической структуры запроса пользователя и информации, подготовленной системой для формирования ответа на этот запрос. Отметим, что вся эта информация пока существует только на внутрисистемном языке. Для превращения ее в ответ системы (который должен быть на естественном языке), и предназначены программы формирования понятий, определяющих семантику ответа, и программы лингвистического синтеза фраз и предложений естественного языка, адекватно отображающих эту семантику.

Экспертные системы функционируют в двух основных режимах: приобретение знаний и применение знаний. В режиме приобретения знаний когнитолог осуществляет перенос знаний, полученных от эксперта, в БЗ системы.

Приобретению знаний, если оно является первоначальным наполнением БЗ, предшествует длительная и сложная работа всего коллектива аналитиков системы. Она заключается в системном анализе проблемы, которую предстоит решать, а также в анализе возможностей ЭС, как интеллектуальной информационной системы, и в обеспечении решения проблемы новыми знаниями.

В режиме применения знаний происходит решение определенного класса (или классов) задач, составляющих содержание проблемы. Некоторые классы таких задач перечислены в разделе 1.6. Часто случается так, что проблема, для решения которой создана ЭС (или ИИС другой категории), носит комплексный характер в том смысле, что объединяет задачи нескольких классов. В таких случаях от системы требуется универсальность по отношению к числу классов решаемых задач. Группа системных аналитиков в таком случае должна включать когнитологов, обладающих опытом и знаниями в решении определенных (или смежных с ними) классов задач и способных эффективно работать с экспертами разных областей знаний.

Существуют такие предметные области, которые характерны высокой динамикой изменения свойства объектов. Это значит, что решения некоторых задач могут происходить в режиме реального времени. Такие ситуации могут возникнуть в системах экологического контроля, в системах военного назначения, в системах контроля функционирования АЭС и т.п. Создаваемые для применения в таких ситуациях ЭС принято называть динамическими. В их структуре, по сравнению со статическими системами, предназначенными для применения в предметных областях, стабильных в отношении свойств объектов, должны быть предусмотрены два специфичных блока. Одним из них является блок учета динамики предметной области (ДПО). Если динамическая ЭС обеспечивает функционирование учреждения исследовательского типа (отраслевой или академический НИИ), то блок учета динамики ПО может быть реализован в виде компьютерной имитационной модели.

Другим специфичным блоком динамической ЭС является блок сопряжения (БС) имитационной модели (то есть – блока ДПО) с базой знаний статической ЭС. Это сопряжение должно обеспечиваться автоматической генерацией (на внутрисистеном языке) предписания (подобного тому, с каким обращается к системе когнитолог) для внесения соответствующих изменений в базу знаний. Упрощенная обобщенная структура динамической ЭС такого типа приведена на рис. 2.2.2.

Если речь идет об использовании ЭС в системе управления важным в экологическом, энергетическом или военном отношении объектом, то даже в упрощенном представлении структура динамической ЭС будет более сложной, чем статической. Блок учета динамики ПО должен представлять собой аппаратно-программный комплекс. В его составе должны быть датчики, передающие на вход этого блока физические аналоги параметров управляемого объекта. Эти сигналы с помощью аналого-цифровых преобразователей и специальных программ преобразуются в цифровые коды регистрируемых параметров.

57

Поиск последовательности (цепочек) правил и процедур логического вывода, приводящей к решению конкретной задачи, происходит в соответствии с одной из возможных стратегий. В тех случаях, когда процедуры и правила базы знаний системы представлены в виде древовидной (иерархической) структуры или ориентированного графа, эти стратегии определяются порядком просмотра и применения правил и процедур. Он может быть прямым или обратным. Прямой порядок предполагает идти от фактов к заключениям, а обратный порядок - от заключений к фактам. Сущность этих стратегий в самом общем виде заключается в следующем.

При реализации прямого порядка к имеющемуся (исходному) набору фактов ищется заключение (вывод), которое из этих фактов следует. Просмотр идет по шагам (циклам). Если на первом шаге с помощью одного или нескольких (из имеющихся в БЗ) правил такое заключение удается найти, но оно не соответствует заранее известным признакам «приемлемого» результата решения задачи, то факты, образованные этим заключением, принимаются в качестве нового исходного набора данных и делается новый шаг. Правило или правила, обеспечившие результат на первом шаге, образуют начало искомой цепочки. Если на первом шаге логичное заключение не было найдено, то шаг повторяется, но уже с применением другого набора правил.

При реализации обратного порядка к исходному набору фактов делается некий гипотетический вывод, имеющий формальные признаки результата решения задачи. Затем в БЗ пытаются найти факты, которые будучи поставлены в гипотетическое заключение вместо формализмов, подтверждают или опровергают гипотезу. Если подтверждают, то гипотеза объявляется решением задачи. Если опровергают, то пошаговый (цикличный) процесс поиска продолжается, пока не будут исчерпаны все факты, «пригодные» в качестве фигурантов выдвинутой гипотезы. Если гипотеза так и останется неподтвержденной, то делается новый гипотетический вывод и пошаговый процесс повторяется, пока не будут исчерпаны возможные правдоподобные гипотезы.

При любом порядке циклический процесс реализации механизма логического вывода заканчивается либо опробыванием всех правил, имеющихся в БЗ, либо исчерпанием числа правдоподобных гипотез. Если и в том, и в другом случае решение не найдено, то такая ситуация требует от когнитолога действий, связанных либо с привлечением новых экспертов, либо сопряжения системы с другими ИИС, базы знаний которых могут содержать недостающие знания. Более наглядно прямая и обратная стратегии поиска решения будут показаны в разделе

3.1.

Формирование пространства правил ЭС на основе знаний, получаемых от эксперта и из других источников, - задача когнитолога системы. Эффективность его работы в этой области деятельности определяет мощность процедурной компоненты базы данных и универсального решателя системы.

Эта характеристика ЭС определяет ее возможности в обработке знаний, которая может быть поверхностной или глубинной. В системы, которых допускают поверхностную обработку знаний, модель ПО, как правило, носит тоже поверхностный характер. В них не отражены глубинные связи между сущностями и их свойствами. Факты и правила, отраженные в таких моделях, носят характер практических знаний, относящихся к потребительским свойствам объектов ПО. Поверхностная обработка знаний, как правило, происходит быстро и непрерывно вплоть до получения результата.

В системах, модели ПО которых учитывают и адекватно отображают глубинные отношения между сущностями и их свойствами, не применимы поверхностные методы обработки. При обработке таких знаний требуется более высокая квалификация экспертов и когнитологов, поскольку в ходе обработки часто возникают ситуации, которые не могли быть предусмотрены заранее. В таких ситуациях набор правил, содержащихся в памяти системы, оказывается недостаточным для производства логического вывода. Поэтому процесс решения

60

прерывается и экспертам предстоит сформулировать новое правило или синтезировать его из числа уже имеющихся в наборе системы. Это правило, будучи примененным в дотоле незнакомой ситуации, должно вполне объяснимо «сработать». Системы с глубинной обработкой знаний в большинстве случаев строятся на моделях нескольких предметных областей: одной основной и нескольких смежных с ней.

Системы с поверхностной обработкой знаний в составе процедурных компонент своих БЗ содержат до тысячи правил. В составе процедурных компонент БЗ систем с глубинной обработкой знаний таких правил может быть до двух тысяч.

61

1)Анализ рынка «готовых» экспертных систем и оценка их соответствия концепции создаваемой системы.

2)Выбор прототипа или принятие решения о разработке оригинального проекта

системы.

3)Определение исполнителей проекта (руководителя проекта, системного аналитика – когнитолога, экспертов, системных программистов, проблемных программистов, группы экономического анализа.

4)Разработка эскизного проекта системы, соответствующего общей концепции ее создания и отражающего базовые возможности и характеристики БЗ будущей системы. Этот этап является основным и наиболее ответственным. Он включает следующие виды работ:

-выбор типа модели представления знаний;

-разработка технология приобретения знаний и средств ее реализации;

-создание базы знаний системы;

-создание необходимого числа баз и банков данных в составе БЗ системы и уточнение их характеристики;

-выбор языка проблемного программирования, внутрисистемных языков описания знаний

иманипулирования ими, типа пользовательского интерфейса и его функциональных и эргономических характеристики, языка общения пользователя с системой и формы представления информации в запросах к системе и в ее ответах;

-выбор аппаратных средств системы, обоснование их характеристики и принципа их системной организации;

-создание общего алгоритма функционирования системы, определение типов пользователей и их системных приоритетов;

-определение функций и ответственности персонала, обеспечивающего работоспособность системы.

5)Разработка и создание опытного (исследовательского) образца системы.

6)Утверждение базового (обязательного) перечня задач, решение которых должно обеспечиваться составом декларативной и возможностями процедурной компонент БЗ.

7)Наполнение базы знаний системы фактами и правилами, необходимыми и достаточными для решения базового перечня задач.

8)Испытания опытного образца системы на всех штатных режимах ее функционирования и оценка возможностей декларативной и процедурной компонент БЗ системы на всех типах задач утвержденного базового перечня, определяющих ее проблемную область.

9)Анализ результатов испытаний системы, проведение необходимых доработок ее программных и аппаратных средств и корректировок содержания предметной и возможностей процедурной компонент БЗ.

10)Создание промышленного образца системы, проведение ее комплексных (на всех штатных режимах функционирования) испытаний.

11)Устранение неточностей в работе системы, выявленных при комплексных испытаниях, доработка системы и передача ее в эксплуатацию.

12)Создание демонстрационной версии системы, оформление промышленного образца в торговой палате, организация его рекламы.

Приведем некоторые положения теории и практики проектирования и создания ЭС, в которых раскрывается сущность перечисленных этапов и видов деятельности.

Важным аспектом при проектировании ЭС является экономический. Оценка экономической целесообразности проекта, его рентабельности, осуществляет руководитель проекта на основании расчетов, выполненных группой экономического анализа. При этом важно учитывать все виды ресурсов, необходимых для создания ЭС (затратная часть проекта). Ожидаемый экономический эффект от применения ЭС должны оценивать менеджеры самых

63

высоких уровней ответственности и компетентности совместно с экспертами, имеющими опыт объективного анализа и опыт применения подобных систем в близких областях деятельности. При комплексном экономическом анализе проекта нельзя оставлять без внимания возможность избежать высоких материальных затрат при рациональном использовании всего того, что было создано на предприятии до этого. Для этого надо тщательно ревизовать информационные возможности уже созданных и действующих на предприятии систем сбора, обработки, хранения и передачи информации и оценить перспективность их использования в создании и эксплуатации будущей ЭС. Этот анализ должна выполнить группа системнвх специалистов проекта.

Ядром создаваемой ЭС, безусловно, является база знаний. От того, насколько полно и точно отражены в ней свойства сущностей ПО и отношения между ними, зависят интеллектуальные возможности системы. Если руководитель фирмы, в которой создается система, намерен в своей деятельности использовать преимущественно неформальные, часто интуитивные, но (по его мнению) «надежные» знания экспертов, то он обязан заявить об этом на стадии разработки концепции создания ЭС.

Группа экспертов, участвующих в создании проекта системы, должна снабдить руководителя исчерпывающей информацией о рациональной степени формализации знаний, вводимых в систему. Рациональность такого рода предполагает, что глубина знаний о свойствах сущностей ПО и отношениях между ними должна быть необходимой и достаточной для решения всех задач базового перечня, предусмотренных проектом. Избыток знаний или их избыточная глубина могут отрицательно сказаться на рентабельности системы.

В свою очередь, руководитель предприятия, на котором создается система, должен максимально точно и полно сформулировать цель создания системы и задачи, которые планируется решать с ее помощью. Эта информация важна и для проектировщиков системы, и для экспертов, которых предполагается пригласить для ее создания.

Основными этапами процесса проектирования и создания ЭС помимо создания базы знаний, являются разработка и создание опытного образца системы, его испытания, опытная эксплуатация и создание промышленного образца системы.

На этом этапе создания опытного образца основным аспектом является проверка адекватности выбранных методов и способов представления знаний задачам, которые предстоит решать системе. На опытном образце оценивается соответствие выбранных методов и алгоритмов решения задач структуре представления знаний (фактов и правил). Испытания опытного образца являются наиболее ответственным и трудоемким этапом процесса создания системы. На этом этапе со всей тщательностью должны быть проверены все функциональные блоки системы. Опыт создания ЭС показывает ( ), что недостатки, не обнаруженные на данном этапе, либо неустранимы без коренных изменении в проекте, либо потребуют для устранения больших материальных затрат.

Испытания опытного образца должны проходить с обязательной проверкой эффективности всех интерфейсов системы. Важным аспектом таких проверок является оценка интерфейсов требованиям и преференциям конечного пользователя. Под этим понимается способность аппаратных и программных средств интерфейсов в ходе диалога настраиваться на требования пользователя, указанные в запросе к системе, и на изменение информации о пользователе, содержащейся в БЗ. На испытания опытного образца должна быть проверена устойчивость ЭС к возможным некорректным действиям пользователя, вызванным его неопытностью.

Оценку результатов испытаний системы следует проводить с учетом мнений (а иногда – и с участием) всех категорий пользователей, применяя как формальные и объективно измеряемые показатели ее работы (время реакции, полнота и точность выводов, надежность и пр.), так и неформальные оценки («понятливость», «дружественность», «прозрачность», удобство работы и т.д.). Очень важны, при этом, бывают оценки приглашенных экспертов,

64