50361 (Теория искусственного интеллекта), страница 10

Метод центроида (СоА)

В этом методе окончательное значение определяется как проекция центра тяжести фигуры, ограниченной функциями принадлежности выходной переменной с допустимыми значениями. Работу правила можно видеть на рис. 6.

Применение: MYCIN, Fuzzy CLIPS, AM, HEARSAY-11, PROSPECTOR. «Экспертные системы»

В современном обществе при решении задач управления сложными многопараметрическими и сильно связанными системами, объектами и производственными и технологическими процессами приходится сталкиваться с решением неформализуемых и трудноформализуемых задач. Такие задачи часто возникают в следующих областях: авиация, космос и оборона, нефтеперерабатывающая промышленность и транспортировка нефтепродуктов, энергетика, металлургия, машиностроительная промышленность, медицина, прогнозирование и мониторинг и другие.

В начале 60-х годов в рамках исследований по искусственному интеллекту (ИИ) сформировалось самостоятельное направление - экспертные системы (ЭС). В задачу этого направления входит исследование и разработка программ (устройств), использующих знания и процедуры вывода для решения задач, ранее решавшихся только человеком-экспертом. Области применения ЭС включают широкий проблемный спектр от медицинской диагностики и определения курса лечения до систем управления различного рода, планирования и контроля процесса производства.

Экспертная система — система, объединяющая возможности компьютера со знаниями и опытом эксперта в такой форме, что система способна предложить разумный совет или осуществить разумное решение. Дополнительно желаемой характеристикой такой системы является способность пояснять ход своих рассуждений в понятной для человека форме.

Данное определение ЭС одобрено комитетом группы специалистов по экспертным системам Британского компьютерного общества.

Под экспертной системой понимают программу, которая, используя знания специалистов (экспертов) о некоторой конкретной узко специализированной предметной области и в пределах этой области, способна принять решение на уровне эксперта-профессионала.

Можно отметить двойственность толкования названия ЭС, т.к. во-первых, в них используется знания экспертов, а во-вторых, ЭС сами могут выступать в качестве экспертов.

Огромный интерес к экспертным системам со стороны пользователя вызван следующими причинами:

1. Специалисты, не знающие программирования, с помощью экспертных систем могут самостоятельно разрабатывать интересующие их приложения, что позволяет резко расширить сферу использования вычислительной техники.

2. Экспертные системы при решении практических задач достигают результатов, не уступающих, а иногда и превосходящих возможности людей экспертов, не оснащенных ЭС.

3. Решаемые экспертными системами задачи являются неформализованными и используют эвристические, экспериментальные, субъективные знания экспертов в определенной предметной области.

4. В экспертных системах знания отделены от данных, и мощность ЭС обусловлена в первую очередь мощностью базы знаний и только во вторую очередь используемыми методами решения задач.

Обычно к экспертным системам относят системы, основанные на знаниях, т.е. системы, функциональные возможности которых являются в первую очередь следствием их наращиваемой базы знаний (БЗ) и только во вторую очередь определяется используемыми методами принятия решения.

Правильное функционирование ЭС, как систем основанных на знаниях, зависит от качества и количества знаний, хранимых в их БЗ. Поэтому приобретение знаний для ЭС является очень важным процессом.

Приобретение (извлечение) знаний — получение информации о проблемной области различными способами, в том числе от специалистов, и выражение её на языке представления знаний с целью построения БЗ. Необходимо умело «скопировать» образ мышления эксперта.

Знания для ЭС могут быть получены из различных источников: книг, отчетов, баз данных, эмпирических правил, персонального опыта эксперта и т. п. Возможны 3 способа получения знаний от эксперта: протокольный анализ, интервью и игровая имитация профессиональной деятельности

Классификация экспертных систем

По назначению: экспертные системы общего назначения; специализированные: а) проблемно-ориентированные для задач диагностики, проектирования, прогнозирования; б) предметно-ориентированные для решения специфических задач, например, контроль ситуации на АЭС.

По степени зависимости от внешней среды:

-статические экспертные системы, не зависящие от внешней среды;

- динамические, учитывающие динамику внешней среды и предназначенные для решения задач в реальном времени.

По типу использования:

- изолированные экспертные системы;

- экспертные системы на входе/выходе других систем;

- гибридные экспертные системы, интегрированные с базами данных и другими программными средствами.

По сложности решаемых задач:

- простые экспертные системы, имеющие до 1000 простых правил;

- средние системы, имеющие от 1000 до 10000 правил;

- сложные, имеющие более 10000 правил.

По стадии создания:

- исследовательский образец, разработанный за 1-2 месяца с минимальной базой знаний;

- демонстрационный образец, разработанный за 3-4 месяца на языках LISP, PROLOG и др.;

- промышленный образец, разработанный за 4-8 месяцев с полной базой знаний на языках типа CLIPS;

- коммерческий образец, разработанный за 1,5 – 2 года на современных языках с полной базой знаний.

Области применения ЭС

В настоящее время ЭС используются при решении задач следующих типов:

• принятие решений в условиях неопределенности (неполноты) информации о внешнем мире,

• интерпретация символов и сигналов (например, системы оптического распознавания),

• прогнозирование (погоды, месторождений полезных ископаемых),

• диагностика (заболеваний, состояния технических устройств),

• конструирование (например, технических устройств), планирование (например, банковских операций),

• обучение,

• управление, контроль и др.

Функциональная структура экс пертной системы

Рис. 13.1.Структура ЭС

*Типичная экспертная система состоит из следующих основных компонентов: модуля принятия решения (интерпретатора), БД, БЗ, пользовательского интерфейса.

Ввод входных данных и информации о текущей задаче – через пользователя.

База данных предназначена для хранения исходных и промежуточных данных, необходимых для решения текущей задачи. Термин база данных совпадает по названию, но не по значению с термином, используемым в информационно-поисковых системах и системах управления БД, где он обозначает список однотипных единиц информации.

Пример содержимого базы данных ЭС обработки детали на станке.

База знаний (БЗ) — совокупность описывающих предметную область правил и фактов, позволяющих с помощью механизма вывода выводить суждения в рамках этой предметной области, которые в явном виде в базе не присутствуют.

Решатель, используя информацию из БД и знания из БЗ, формирует такую последовательность правил, которые, будучи примененными к данным из БД, приводят к решению задачи. Этот модуль используется и на этапе обучения системы и на этапе проведения экспертизы. В начале обучения база знаний системы пуста. Используя данные из БД, решатель пытается выработать какое-то суждение. Поскольку в БЗ отсутствуют какие-либо правила, требуемые для решения задачи, суждение будет неверным, на что системе будет указано человеком-экспертом, а так же будет введен правильный ответ. Используя полученную от человека информацию (правильное суждение), решатель дополнит БЗ соответствующими правилами. Затем модуль принятия решений попытается вывести новое суждение. Если ответ, полученный системой в результате ее работы, является верным, модуль принятия решений еще раз подтвердит правила, участвовавшие в принятии ответа. Такой процесс обучения продолжается до тех пор, пока ЭС не начнет выводить только правильные суждения. К моменту проведения экспертизы база знаний уже заполнена при помощи модуля принятия решений необходимыми для решения поставленной задачи правилами. Применяя проверенные правила к данным из БД, модуль принятия решения выведет требуемое суждение.

Интерфейс пользователя предназначен для осуществления процесса взаимодействия между человеком-экспертом и экспертной системой. Он обеспечивает возможность высокоуровневого общения с ЭС, преобразуя входные данные, представленные на естественном языке, во внутреннее представление ЭС, а сообщения ЭС — в обратном направлении.

Таким образом, данные определяют объекты, их характеристики и значения, существующие в области экспертизы. Правила определяют способы преобразования данных, характерные для рассматриваемой проблемной области. Эксперт, используя интерфейс пользователя, наполняет систему знаниями, которые позволяют ЭС в режиме решения самостоятельно (без эксперта) решать задачи из проблемной области.

Режимы работы ЭС

Существует 2 режима работы ЭС: режим приобретения знаний и режим решения задач. В режиме приобретения знаний ЭС заполняется знаниями при помощи инженера по знаниям и эксперта в какой-то проблемной области. Эксперт описывает проблемную область в виде совокупности данных и правил, которые инженер по знаниям заносит в том или ином виде в базу знаний.

В режиме решения задач необходимо посредством интерфейса пользователя заполнить БД данными о задаче. При этом данные пользователя о задаче, представленные на привычном для пользователя языке, преобразуются во внутренний язык системы.

Итак, на основе входных данных из БД и данных и правил о проблемной области из БЗ модуль принятия решения выводит суждение, являющееся решением поставленной перед ЭС задачи. Если ответ ЭС не понятен пользователю, то он может потребовать объяснения, как этот ответ получен.

Рис. 13.2. Алгоритм работы ЭС в режиме обучения

Технология проектирования и разработки ЭС

Разработка ЭС имеет существенные отличия от разработки обычного программного продукта. Опыт создания ЭС показал, что использование при их разработке методологии, принятой в традиционном программировании, либо чрезмерно затягивает процесс создания ЭС, либо вообще приводит к отрицательному результату.

Создавать ЭС следует только тогда, когда разработка ЭС возможна, оправдана и методы инженерии знаний соответствуют решаемой задаче.

Чтобы разработка ЭС была возможной для данной проблемной области, необходимо одновременное выполнение, по крайней мере следующих требований:

1. К экспертам:

1. существуют эксперты в данной области, которые решают задачу значительно лучше, чем начинающие специалисты;

2. эксперты сходятся в оценке предлагаемого решения, иначе нельзя будет оценить качество разработанной ЭС;

3. эксперты способны вербализовать (выразить на естественном языке) и объяснить используемые ими методы, в противном случае трудно рассчитывать на то, что знания экспертов будут "извлечены" и вложены в ЭС;

4. решение задачи требует только рассуждений, а не действий;

5. Задача не должна быть слишком трудной (т.е. ее решение должно занимать у эксперта несколько часов или дней, а не недель);

6. Задача хотя и не должна быть выражена в формальном виде, но все же должна относиться к достаточно "понятной" и структурированной области, т.е. должны быть выделены основные понятия, отношения между ними и известные (хотя бы эксперту) способы получения решения задачи.

7. решение задачи не должно в значительной степени использовать «здравый смысл» (т.е.широкий спектр общих сведений о мире и о способе его функционирования, которые знает и умеет использовать любой нормальный человек), т.к. подобные знания пока не удается (в достаточном количестве) вложить в системы искусственного интеллекта.

Использование ЭС в данном приложении может быть возможно, но не оправдано. Применение ЭС может быть оправдано одним из следующих факторов:

1. решение задачи принесет значительный эффект, например экономический;

2. использование человека-эксперта невозможно либо из-за недостаточного количества экспертов, либо из-за необходимости выполнять экспертизу одновременно в различных местах;

3. использование ЭС целесообразно в тех случаях, когда при передаче информации эксперту происходит недопустимая потеря времени или информации;

4. использование ЭС целесообразно при необходимости решать задачу в окружении, враждебном для человека.

Приложение соответствует методам инженерии знаний, если решаемая задача обладает совокупностью следующих характеристик:

1) задача может быть решена посредством манипуляции с символами (т.е. с помощью символических рассуждений), а не манипуляций с числами, как принято в математических методах и в традиционном программировании;

2) задача должна иметь эвристическую, а не алгоритмическую природу, т.е. ее решение должно требовать применения эвристических правил. Задачи, которые могут быть гарантированно решены (с соблюдением заданных ограничений) с помощью некоторых формальных процедур, не подходят для применения ЭС;

3) задача должна быть достаточно сложна, чтобы оправдать затраты на разработку ЭС. Однако она не должна быть чрезмерно сложной (решение занимает у эксперта часы, а не недели), чтобы ЭС могла ее решать;

4) задача должна быть достаточно узкой, чтобы решаться методами ЭС, и практически значимой.

При разработке ЭС, как правило, используется концепция "быстрого прототипа". Смысл ее состоит в том, что разработчики не пытаются сразу построить конечный продукт. На начальном этапе они создают прототип (прототипы) ЭС. Прототипы должны удовлетворять двум противоречивым требованиям: с одной стороны, они должны решать типичные задачи конкретного приложения, а с другой - время и трудоемкость их разработки должны быть весьма незначительны, чтобы можно было максимально запараллелить процесс накопления и отладки знаний (осуществляемый экспертом) с процессом выбора (разработки) программных средств (осуществляемым инженером по знаниям и программистом). Для удовлетворения указанным требованиям, как правило, при создании прототипа используются разнообразные средства, ускоряющие процесс проектирования.

Прототип должен продемонстрировать пригодность методов инженерии знаний для данного приложения. В случае успеха эксперт с помощью инженера по знаниям расширяет знания прототипа о проблемной области. При неудаче может потребоваться разработка нового прототипа или разработчики могут прийти к выводу о непригодности методов ЭС для данного приложения. По мере увеличения знаний прототип может достигнуть такого состояния, когда он успешно решает все задачи данного приложения. Преобразование прототипа ЭС в конечный продукт обычно приводит к перепрограммированию ЭС на языках низкого уровня, обеспечивающих как увеличение быстродействия ЭС, так и уменьшение требуемой памяти. Трудоемкость и время создания ЭС в значительной степени зависят от типа используемого инструментария.