21. Этапы создания эс

При разработке экспертных систем часто используется концепция быстрого прототипа. Суть её в следующем: поначалу создается не экспертная система, а её прототип, который обязан решать узкий круг задач и требовать на свою разработку незначительное время. Прототип должен продемонстрировать пригодность будущей экспертной системы для данной предметной области, проверить правильность кодировки фактов, связей и стратегий рассуждения эксперта. Он также дает возможность инженеру по знаниям привлечь эксперта к активной роли в разработке экспертной системы. Размер прототипа – несколько десятков правил.

На сегодняшний день сложилась определенная технология разработки экспертных систем, включающая 6 этапов.

Этап 1. Идентификация

Определяются задачи, которые подлежат решению. Планируется ход разработки прототипа экспертной системы, определяются: нужные ресурсы (время, люди, ЭВМ и т.д.), источники знаний (книги, дополнительные специалисты, методики), имеющиеся аналогичные экспертные системы, цели (распространение опыта, автоматизация рутинных действий и др.), классы решаемых задач и т.д. Этап идентификации – это знакомство и обучение коллектива разработчиков. Средняя длительность 1-2 недели.

На этом же этапе разработки экспертных систем проходит извлечение знаний. Инженер по знаниям помогает эксперту выявить и структурировать знания, необходимые для работы экспертной системы, с использованием различных способов: анализ текстов, диалоги, экспертные игры, лекции, дискуссии, интервью, наблюдение и другие. Извлечение знаний – это получение инженером по знаниям более полного представления о предметной области и методах принятия решения в ней. Средняя длительность 1-3 месяца.

Этап 2. Концептуализация

Выявляется структура полученных знаний о предметной области. Определяются: терминология, перечень главных понятий и их атрибутов, структура входной и выходной информации, стратегия принятия решений и т.д. Концептуализация – это разработка неформального описания знаний о предметной области в виде графа, таблицы, диаграммы либо текста, которое отражает главные концепции и взаимосвязи между понятиями предметной области. Средняя длительность этапа 2-4 недели.

Этап 3. Формализация

На этапе формализации все ключевые понятия и отношения, выявленные на этапе концептуализации, выражаются на некотором формальном языке, предложенном (выбранном) инженером по знаниям. Здесь он определяет, подходят ли имеющиеся инструментальные средства для решения рассматриваемой проблемы или необходим выбор другого инструментария, или требуются оригинальные разработки. Средняя длительность 1-2 месяца.

Этап 4. Реализация

Создается прототип экспертной системы, включающий базу знаний и другие подсистемы. На данном этапе применяются следующие инструментальные средства: программирование на обычных языках (Паскаль, Си и др.), программирование на специализированных языках, применяемых в задачах искусственного интеллекта (LISP, FRL, SmallTalk и др.) и др. Четвертый этап разработки экспертных систем в какой-то степени является ключевым, так как здесь происходит создание программного комплекса, демонстрирующего жизнеспособность подхода в целом. Средняя длительность 1-2 месяца.

Этап 5. Тестирование

Прототип проверяется на удобство и адекватность интерфейсов ввода-вывода, эффективность стратегии управления, качество проверочных примеров, корректность базы знаний. Тестирование – это выявление ошибок в выбранном подходе, выявление ошибок в реализации прототипа, а также выработка рекомендаций по доводке системы до промышленного варианта.

Этап 6. Опытная эксплуатация

Проверяется пригодность экспертной системы для конечных пользователей. По результатам этого этапа может потребоваться существенная модификация экспертной системы.

Процесс разработки экспертной системы не сводится к строгой последовательности перечисленных выше этапов. В ходе работ приходится неоднократно возвращаться на более ранние этапы и пересматривать принятые там решения.

№22 Идентификация проблемной области

В ходе работ по созданию экспертных систем сложилась определенная технология их разработки, включающая шесть следующих этапов: идентификация, концептуализация, формализация, реализация, тестирование, опытная эксплуатация и внедрение.

Этап идентификации проблемной области - определение требований к разрабатываемой ЭС, контуров рассматриваемой проблемной области (объектов, целей, подцелей, факторов), выделение ресурсов на разработку ЭС.

Этап идентификации проблемной области включает определение назначения и сферы применения экспертной системы, подбор экспертов и группы инженеров по знаниям, выделение ресурсов, постановку и параметризацию решаемых задач.

Начало работ по созданию экспертной системы инициируют руководители компаний. Обычно необходимость разработки экспертной системы связана с затруднениями лиц, принимающих решение, что сказывается на эффективности функционирования проблемной области. Как правило, назначение экспертной системы связано с одной из следующих областей:

- обучение и консультация неопытных пользователей;

- распространение и использование уникального опыта экспертов;

- автоматизация работы экспертов по принятию решений;

- оптимизация решения проблем, выдвижение и проверка гипотез.

После предварительного определения контуров разрабатываемой экспертной системы инженеры по знаниям совместно с экспертами осуществляют более детальную постановку проблем и параметризацию системы. К основным параметрам проблемной области относятся следующие:

- класс решаемых задач (интерпретация, диагностика, коррекция, прогнозирование, планирование, проектирование, мониторинг, управление);

- критерии эффективности результатов решения задач (минимизация использования ресурсов, повышение качества продукции и обслуживания, ускорение оборачиваемости капитала и т.д.);

- критерии эффективности процесса решения задач (повышение точности принимаемых решений, учет большего числа факторов, просчет большего числа альтернативных вариантов, адаптивность к изменениям проблемной области и информационных потребностей пользователей, сокращение сроков принятия решений);

- цели решаемых задач (выбор из альтернатив, например, выбор поставщика или синтез значения, например, распределение бюджета по статьям);

- подцели (разбиение задачи на подзадачи, для каждой из которых определяется своя цель);

- исходные данные (совокупность используемых факторов);

- особенности используемых знаний (детерминированность/ неопределенность, статичность/динамичность, одноцелевая/ многоцелевая направленность, единственность/ множественность источников знаний).

Проблема.

- в принципе разрешима, но средства для ее выявления, формулирования и решения необходимо создать.

- в проблеме не только не сформулированы исходные позиции - "дано и требуется получить", но даже нет языковых средств, с помощью которых это можно сформулировать.

- отсутствуют или участникам неизвестны средства для разрешения проблемы.

- неизвестен и сам состав участников.

Все это требуется найти или создать в процессе:

- выявления,

- формулирования и

- разрешения проблемы.

Проблемные области для аналитических задач классифицирующего и доопределяющего типов:

- Интерпретация данных - выбор решения из альтернатив на базе Sтек. Назначение - определение сущности рассматриваемой ситуации, выбор гипотез, исходя их фактов (ЭС анализа фин. сост предприятия).

- Диагностика - выявление причин, приведших к возникновению ситуации. Предварительно интерпретируется ситуация и проверяются доп. факты (выявление факторов снижения эффективности производства).

- Коррекция - диагностика с возможностью оценки и рекомендации действий по исправлению отклонений от нормального состояния исходных ситуаций.

Проблемные области синтезирующих динамических СОЗ:

- Проектирование - определение конфигурации объектов с точки зрения достижения заданных критериев эффективности и ограничений, например, проектирование бюджета предприятия или портфеля инвестиций.

- Прогнозирование - предсказание последствий развития текущих ситуаций на основе математического и эвристического моделирования, например, прогнозирование трендов на биржевых торгах.

- Диспетчирование - распределение работ во времени, составление расписаний, например, планирование графика освоения капиталовложений.

Проблемные области синтезирующих динамических СОЗ:

- Планирование - выбор последовательности действий пользователей для достижения поставленной цели (планирование процессов поставки продукции).

- Мониторинг - слежение за текущей ситуацией с возможной последующей коррекцией. Выполняется диагностика, прогнозирование, а в случае необходимости планирование и коррекция действий пользователей (мониторинг сбыта готовой продукции).

- Управление - мониторинг, дополненный реализацией действий в автоматических системах.

№23 Концептуальная модель проблемной области

Этап концептуализации проблемной области - построение концептуальной модели, отражающей в целостном виде сущность функционирования проблемной области на объектном (структурном), функциональном (операционном), поведенческом (динамическом) уровнях

На этапе построения концептуальной модели создается целостное и системное описание используемых знаний, отражающее сущность функционирования проблемной области. От качества построения концептуальной модели проблемной области во многом зависит насколько часто в дальнейшем по мере развития проекта будет выполняться перепроектирование базы знаний. Хорошая концептуальная модель может только уточняться (детализироваться или упрощаться), но не перестраиваться.

Результат концептуализации проблемной области обычно фиксируется в виде наглядных графических схем на объектном, функциональном и поведенческом уровнях моделирования:

- объектная модель описывает структуру предметной области как совокупности взаимосвязанных объектов;

- функциональная модель отражает действия и преобразования над объектами;

- поведенческая модель рассматривает взаимодействия объектов во временном аспекте.

Первые две модели описывают статические аспекты функционирования проблемной области, а третья модель - динамику изменения ее состояний. Естественно, что для различных классов задач могут требоваться разные виды моделей, а следовательно, и ориентированные на них методы представления знаний. Рассмотрим каждую из представленных видов моделей.

Объектная модель - отражение на семантическом уровне фактуального знания о классах объектов, их свойств и отношений.

Концептуальное проектирование - сбор, анализ и редактирование требований к данным. Для этого осуществляются следующие мероприятия:

- обследование предметной области, изучение ее информационной структуры;

- выявление всех фрагментов, каждый из которых характеризуется пользовательским представлением, информационными объектами и связями между ними, процессами над информационными объектами

- моделирование и интеграция всех представлений

По окончании данного этапа получаем концептуальную модель, инвариантную к структуре базы данных. Часто она представляется в виде модели "сущность-связь".

Логическое проектирование - преобразование требований к данным в структуры данных. На выходе получаем СУБД-ориентированную структуру базы данных и спецификации прикладных программ. На этом этапе часто моделируют базы данных применительно к различным СУБД и проводят сравнительный анализ моделей.

Физическое проектирование - определение особенностей хранения данных, методов доступа и т.д.

№24 Формализация проблемной области

На этапе формализации все ключевые понятия и отношения, выявленные на этапе концептуализации, выражаются на некотором формальном языке, предложенном (выбранном) инженером по знаниям. Здесь он определяет, подходят ли имеющиеся инструментальные средства для решения рассматриваемой проблемы или необходим выбор другого инструментария, или требуются оригинальные разработки.

Основными задачами в процессе формализации являются проблемы структуризации исходной задачи и знаний в выбранном (разработанном) формализме, а именно:

1. структуризация общей задачи на связанные подзадачи;

2. структуризация предметной области на основе иерархии классов;

3. структуризация знаний на декларативные и процедурные;

4. структуризация приложения на основе иерархии «часть/целое».