ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики
(технический университет)”
Подлежит возврату
№
Системы искусственного интеллекта
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
для студентов, обучающихся
по специальностям 230102 и 230201
МОСКВА 2007
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики
(технический университет)”
Подлежит возврату
№
Системы искусственного интеллекта
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
МОСКВА 2007
Составитель Г.Д. Потресова
Редактор А.И. Семенов
Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Системы искусственного интеллекта» предназначены для студентов 4-го курса дневного отделения специальностей 230102 и 230201.
Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.
Рецензенты: И.И. Холкин,
А.П. Свиридов
©МИРЭА, 2007
Введение
Экспертные системы (ЭС) являются одним из наиболее значительных практических достижений в области искусственного интеллекта. В настоящее время экспертные системы нашли широкое применение в различных областях. ЭС используются для решения задач интерпретации, прогнозирования, диагностики, проектирования, планирования, управления и др.
При создании ЭС могут использоваться различные типы инструментальных средств: языки программирования, языки представления знаний, оболочки экспертных систем, интегрированные гибридные инструментальные среды и комплексы.
Преимуществом оболочек по сравнению с другими типами инструментальных средств является то, что оболочка содержит все программные компоненты ЭС в готовом виде, и разработка экспертных систем на основе оболочки сводится лишь к заполнению базы знаний. Поэтому использование оболочки является самым быстрым и наименее трудоемким способом создания ЭС. Еще одним достоинством оболочки является то, что на ее основе ЭС может разрабатывать специалист в некоторой области, не владеющий программированием.
Данный лабораторный практикум предназначен для изучения оболочки ЭС и получения практических навыков разработки ЭС на базе этой оболочки.
Программная реализация оболочки ЭС, которая используется в этих лабораторных работах, выполнена студентами МИРЭА. Принципы построения этой оболочки взяты из книги Б. Сойера и Д.Л. Фостера «Программирование экспертных систем на Паскале» [1].
Лабораторная работа № 1 Построение базы знаний экспертной системы на основе продукционной модели представления знаний.
Цель работы
Изучение взаимосвязи правил в базе знаний, построенной на основе продукционной модели представления знаний.
Задание
Изучите базу знаний ЭС, указанную преподавателем.
Постройте граф И/ИЛИ, взяв в качестве корневой вершины графа правило, указанное преподавателем.
Методические указания
Изучение базы знаний ЭС лучше всего начать с анализа концептуальной схемы, поскольку концептуальная схема дает наиболее общее представление о структуре базы знаний. Рассмотрим в качестве примера базу знаний ЭС прогнозирования продолжительности жизни человека. На рис. 1 представлена концептуальная схема этой ЭС. На этой схеме показаны связи между объектами, которые используются в процессе логических выводов. Терминальные объекты выделены на схеме жирными рамками.
«Продолжительность» жизни, являющаяся целью консультации, определяется «основной продолжительностью» и некоторым «фактором», который может привести к увеличению или сокращению «продолжительности» жизни по сравнению с «основной продолжительностью» в зависимости от того, будет значение этого «фактора» положительным или отрицательным.
Рис. 1. Концептуальная схема ЭС
Как видно из рис. 1, концептуальная схема дает представление не только о структуре базы знаний, но и о подходе к решению задач ЭС. Однако на концептуальной схеме указываются только имена объектов и не указываются их значения, поэтому для более полного представления процесса решения задач необходимо использовать граф И/ИЛИ.
На рис. 2 представлен фрагмент графа И/ИЛИ, соответствующего концептуальной схеме, показанной на рис. 1. На рис. 2 в кружках указаны номера правил, а в прямоугольниках – условия и заключения правил. На графе И-вершины помечены дугой.
Для построения графа И/ИЛИ найдите в базе знаний правило, указанное преподавателем, и представьте его в виде графа. Затем выберите одно из условий этого правила и найдите в базе знаний такие правила, у которых в заключении стоит та же пара <объект> = <значение>, что и в условии исходного правила. Добавьте граф этого правила к исходному графу.
После этого возьмите второе условие исходного правила и аналогичным образом продолжите другую ветвь графа И/ИЛИ. Продолжение каждой из ветвей строится до тех пор, пока в условиях правил не встретятся объекты, значения которых запрашиваются у пользователя в процессе консультации. Эти условия соответствуют терминальным вершинам графа И/ИЛИ.
Содержание отчета о работе
Концептуальная схема базы знаний.
Граф И/ИЛИ для одной из гипотез.
Контрольные вопросы
В каких случаях при представлении продукционных правил в виде графа образуются вершины «ИЛИ»?
Какую информацию о базе знаний можно получить из анализа ее концептуальной схемы?
Какая связь существует между концептуальной схемой и графом И/ИЛИ?
Лабораторная работа № 2 Выполнение логических выводов в ЭС
Цель работы
Практическое освоение методов выполнения логических выводов при решении задач ЭС.
Задание
Составьте и выполните тестовый пример в режиме консультации с ЭС, отслеживая процесс его выполнения по графу И/ИЛИ, построенному при выполнении лабораторной работы №1.
Составьте таблицу, показывающую последовательность шагов, выполненных ЭС при решении тестового примера.
Методические указания
В оболочке Expert используются обратные выводы. Цель задается пользователем в виде имени объекта. ЭС, используя имеющиеся в БЗ правила, пытается получить значение указанного объекта-цели. Вывод начинается с поиска правила, которое содержит объект-цель в своей правой части (заключение правила). Поскольку заключение правила представлено в виде <объект> = <значение> КД = <коэффициент доверия>, то выбор правила, содержащего объект-цель в заключении этого правила, по существу является выдвижением гипотезы о значении объекта-цели. Количество возможных гипотез определяется количеством имеющихся в БЗ правил, которые содержат в правой части объект-цель.
Для проверки гипотезы рассматривается каждая из составляющих посылки выбранного правила. Эти составляющие посылки сопоставляются с заключениями других правил и в случае успешного сопоставления аналогично рассматривается посылка следующего выбранного правила (см. рис. 3). Если на некотором шаге выводов не оказывается правила, заключение которого можно было бы сопоставить с проверяемой посылкой, то посылка сопоставляется с имеющимися фактами. Если имеющихся фактов недостаточно для подтверждения или опровержения посылки, то пользователю задается вопрос о значении объекта, указанного в посылке.
В начале консультации с ЭС, построенной на базе оболочки EXPERT, система просит пользователя ввести цель. Цель задается пользователем в виде имени объекта, например, «продолжительность».
В БЗ имеется 15 правил, содержащих объект “продолжительность” в заключении правила:
Правило 63: ЕСЛИ основная_продолжительность=72 И
фактор=ноль
ТО продолжительность=72_года.
Правило 64: ЕСЛИ основная_продолжительность=67 И
фактор=ноль
ТО продолжительность=67_лет.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Правило 77: ЕСЛИ основная_продолжительность=60 И
фактор=минус_12
ТО продолжительность=48_лет.
Первая составляющая посылки правила 63 может быть сопоставлена с заключением правила 6:
Правило 6: ЕСЛИ возраст=25_или_меньше И
пол=женский
ТО основная_продолжительность=72.
Поскольку правил, имеющих в правой части объект “возраст” нет и значение этого объекта не было введено пользователем раньше в процессе диалога, то ЭС задает пользователю вопрос
Сколько лет испытуемому?
1. 25_или_меньше
2. 25-55
3. 55_или_больше
Если пользователь выберет ответ 1, то ему будет задан вопрос
Какого пола испытуемый?
1. мужской
2. женский
Если пользователь выберет ответ 2, то правило 6 будет выполнено и, следовательно, первая составляющая посылки правила 63 будет истинной.
Если же пользователь выберет ответ 1 (мужской), то поскольку правило 6 не выполняется, система будет искать другое правило с тем же заключением, что и правило 6 (т.е. основная_продолжительность=72). Но такого правила в БЗ нет, поэтому правило 63 не может быть выполнено и система ищет новое правило, в правой части которого стоит объект “продолжительность”. Это правило 64, которое представляет новую гипотезу (продолжительность=67_лет), и ЭС вновь выполняет логические выводы, пытаясь подтвердить эту гипотезу.
Представьте последовательность шагов, которые были выполнены ЭС в процессе консультации в виде таблицы, содержащей следующие графы:
1) номер шага;
2) текущая гипотеза (подцель), которую ЭС пытается подтвердить на данном шаге;
3) конфликтное множество правил (правила, которые могут быть выполнены на данном шаге);
4) правило, выбранное из конфликтного множества и выполненное на данном шаге;
5) список подцелей, которые были сформированы в процессе логических выводов и которые нуждаются в подтверждении;
6) факт, который подтвердил или опроверг текущую подцель.
Содержание отчета о работе
Протокол диалога с ЭС при выполнении тестового примера
Граф И/ИЛИ для тестового примера
Таблица, показывающая последовательность шагов при выполнении тестового примера.
Контрольные вопросы
Как выполняются логические выводы в оболочке Expert?
Как выдвигаются гипотезы при выполнении обратных выводов?
Какие правила образуют конфликтное множество?
Как проверяется истинность условий, которые представляются терминальными вершинами И/ИЛИ графа?
Как строится граф И/ИЛИ для тестового примера?
Лабораторная работа № 3 Разработка базы знаний для ЭС диагностики
Цель работы
Практическое освоение методов построения ЭС для решения задач диагностики.
Задание
Проведите анализ выбранной вами предметной области и постройте классифицирующую сеть и граф, представляющий решение одной тестовой задачи диагностики из этой предметной области.
Составьте правила, вопросы и разрешенные значения, необходимые для решения тестовой задачи и введите их в базу знаний ЭС.
Проверьте решение тестовой задачи в режиме консультации с ЭС.
Методические указания
ЭС диагностики определяют нарушения в работе системы, исходя из наблюдений. ЭС диагностики используются в различных областях. Прежде всего здесь нужно отметить медицину, поскольку в медицинской области было разработано больше диагностических ЭС, чем в любой другой. В медицине ЭС диагностики анализируют симптомы, наблюдаемые у пациентов, результаты анализов и различных обследований с целью определения причин заболеваний и постановки диагноза.
Помимо медицины, ЭС диагностики также нашли широкое применение для определения неисправностей различных технических устройств и систем. ЭС соотносят внешние проявления неисправностей с вызвавшими их причинами. В технических устройствах такими причинами обычно являются неисправности каких-либо элементов или нарушения настройки некоторого блока.
При разработке ЭС диагностики многие студенты в качестве источника знаний используют различные пособия по ремонту телевизоров, магнитофонов, автомобилей и других технических устройств. В этих пособиях обычно рассматриваются наиболее часто встречающиеся неисправности и для каждой конкретной неисправности указываются ее внешние признаки и проявления.
Некоторые студенты пытаются в аналогичной форме представить знания ЭС: заключение каждого правила соответствует конкретной неисправности, а в условиях правила представляются признаки этой неисправности.
В результате получается ЭС, которая решает задачу диагностики за один шаг, т.е. решающее дерево представляется единственным правилом. При этом количество условий в правилах часто оказывается довольно большим. Для проверки каждого из условий пользователю задается вопрос, а поскольку знания о неисправностях не систематизированы, ЭС перебирает все возможные неисправности в случайном порядке и задает пользователю множество вопросов, не относящихся к имеющейся неисправности.
Такой подход к построению ЭС диагностики является неудовлетворительным.
Разработку ЭС диагностики целесообразно начать с построения классифицирующей сети, позволяющей систематизировать знания о возможных неисправностях (заболеваниях). Общий вид такой классифицирующей сети представлен на рис. 4.
Набор правил ЭС диагностики можно построить таким образом, чтобы вести логические выводы в направлении от общего к частному. Для этого с каждой из вершин классифицирующей сети следует связать некоторый набор признаков. В результате все множество признаков будет разбито на несколько уровней. На рис. 5 представлено три таких уровня: признаки классов, признаки подклассов, признаки диагнозов.
В соответствии с этим выделяется несколько этапов в решении задачи диагностики, а множество правил разбивается на подмножества, каждое из которых используется на определенном этапе решения задачи.
На первом этапе используются правила, в условиях которых анализируются признаки классов и делается заключение о классе неисправностей (см. рис. 5).
На втором этапе используются правила, условия которых содержат класс неисправностей и признаки подкласса, значения которых определяют принадлежность неисправности одному из подклассов данного класса.
На третьем этапе используются правила, условия которых содержат подкласс неисправностей и признаки диагноза, значения которых определяют диагноз, т.е. имеющуюся неисправность.
Содержание отчета о работе
Постановка задачи диагностики.
Классифицирующая сеть.
Решающий граф для тестовой задачи.
Правила, вопросы и разрешенные значения для тестовой задачи.
Протокол диалога с ЭС при решении тестовой задачи.
Контрольные вопросы
Какие задачи относятся к задачам диагностики?
В каких областях используются ЭС диагностики?
Какие задачи решают ЭС диагностики в области медицины?
Как ЭС диагностики используются в области техники?
Какую роль играет классифицирующая сеть при решении задач диагностики?
Лабораторная работа № 4 Тестирование ЭС
Цель работы
Практическое освоение методов поиска ошибок в базе знаний ЭС и анализа полноты базы знаний.
Задание
Составьте тестовые примеры. На графе И/ИЛИ, представляющем базу знаний ЭС выделите решающие деревья, соответствующие этим примерам и определите ожидаемые результаты их выполнения.
Выполните тестовые примеры в режиме консультации с ЭС и сравните полученные результаты с ожидаемыми. Посмотрите объяснения, которые выдает ЭС , и сравните их с решающими деревьями, построенными в п. 1.
Для указанных преподавателем терминальных объектов проверьте наличие вопросов и списков разрешенных значений, а также соответствие разрешенных значений тем значениям, которые используются в условиях правил.
Для указанных преподавателем объектов (не являющихся терминальными) проверьте соответствие значений этих объектов в условиях и заключениях правил. Проверьте полноту набора правил, определяющих значения этих объектов. В случае необходимости дополните базу знаний недостающими правилами или внесите исправления в имеющиеся правила.