Экспертные системы, цели их использования,структура

 База знаний - наиболее  важная компонента экспертной  системы, на которой основаны  ее «интеллектуальные способности». В отличие от всех остальных  компонент ЭС, база знаний - «переменная  » часть системы, которая может  пополняться и модифицироваться  инженерами знаний и опыта   использование ЭС, между консультациями (а в некоторых системах и  в процессе консультации). Существует  несколько способов представления  знаний в ЭС, однако общим для  всех них является то, что знания  представлены в символьной форме  (элементарными компонентами представления  знаний являются тексты, списки  и другие символьные структуры). Тем самым, в ЭС реализуется  принцип символьной природы рассуждений,  который заключается в том,  что процесс рассуждения представляется  как последовательность символьных  преобразований.

    Наиболее распространенный  способ представления знаний - в  виде конкретных фактов и правил, по которым из имеющихся фактов  могут быть выведены новые.  Факты представлены, например, в виде троек: (АТРИБУТ  ОБЪЕКТ  ЗНАЧЕНИЕ).

   Такой факт означает, что заданный объект имеет заданный атрибут   (свойства) с заданным значением. Например, тройка (ТЕМПЕРАТУРА ПАЦИЕНТ1  37.5) представляет факт «температура больного, обозначаемого ПАЦИЕНТ1, равна 37.5». В более простых случаях факт выражается неконкретным значением атрибута, а каким либо простым утверждением, которое может быть истинным или ложным, например: «Небо покрыто тучами». В таких случаях факт можно обозначить каким-либо кратким именем (например, ТУЧИ) или использовать для представления факта сам текст соответствующей фразы.

     Правила в базе знаний имеют вид:

      ЕСЛИ А  ТО  S, где  А - условие; S- действие. Действие S исполняется, если А истинно. Наиболее часто действие S, так же, как и условие, представляет собой утверждение, которое может быть выведено системой (то есть становится ей известной), если истинно условие правила А.

   Правила в базе  знаний  служат для представления  эвристических знаний (эвристик), т.е.  неформальных правил рассуждения,  вырабатываемых экспертом на  основе опыта его деятельности.Простой пример правила из повседневной жизни:

      ЕСЛИ небо покрыто тучами    ТО скоро пойдет дождь.

В качестве условия A может  выступать либо факт (как в данном примере), либо несколько фактов A1,...,AN, соединенные логической операцией  и: A1 и A2 и ... и AN.

      В математической логике такое выражение называется конъюнкцией. Оно считается истинным в том случае, если истинны все его компоненты. Пример предыдущего правила с более  сложным условием:

    ЕСЛИ  небо покрыто тучами и барометр падает

    ТО     скоро пойдет дождь.       (Правило 1).

    Действия, входящие  в состав правил, могут содержать  новые факты. При применении  таких правил эти факты становятся  известны системе, т.е. включаются  в множество фактов, которое называется  рабочим множеством. Например, если  факты «Небо покрыто тучами»  и «Барометр падает» уже имеются  в рабочем множестве, то после  применения приведенного выше  правила в него также включается  факт «Скоро пойдет дождь».

    Если система  не может вывести некоторый  факт, истинность или ложность  которого требуется установить, то система спрашивает о нем  пользователя. Например:

      ВЕРНО ЛИ, ЧТО небо покрыто тучами?

При получении положительного ответа от пользователя факт «Небо  покрыто тучами» включается в  рабочем множество.

    Существуют динамические  и статические базы знаний. Динамическая  база знаний изменяется со  временем. Ее содержимое зависит  и от состояния окружающей. Новые  факты, добавляемые в базу знаний, являются результатом вывода, который  состоит в применении правил  к имеющимся фактам.

    В системах с монотонным выводом факты, хранимые в базе знаний, статичны, то есть не изменяются в процессе решения задачи. В системах с немонотонным выводом допускается изменение или удаление фактов из базы знаний. В качестве примера системы с немонотонным выводом можно привести ЭС, предназначенную для составления перспективного плана капиталовложения компании. В такой системе по вашему желанию могут быть изменены даже те данные, которые после вывода уже вызвали срабатывание каких-либо правил. Иными словами имеется возможность модифицировать значения атрибутов в составе фактов, находящихся в рабочей памяти. Изменение фактов в свою очередь приводит к необходимости удаления из базы знаний заключений, полученных с помощью упомянутых правил. Тем самым вывод выполняется повторно для того, чтобы пересмотреть те решения, которые были получены на основе подвергшихся изменению фактов.

 

3.3. Подсистема вывода.  Способы логического вывода.

   Подсистема вывода - программная компонента экспертных систем, реализующая процесс ее рассуждений на основе базы знаний и рабочего множества. Она выполняет две функции: во-первых, просмотр существующих фактов из рабочего множества и правил из базы знаний и добавление (по мере возможности) в рабочее множество новых фактов и, во-вторых, определение порядка просмотра и применения правил. Эта подсистема управляет процессом консультации, сохраняет для пользователя информацию о полученных заключениях, и запрашивает у него информацию, когда для срабатывания очередного правила в рабочем множестве оказывается недостаточно данных.

    Цель ЭС - вывести  некоторый заданный факт, который  называется целевым утверждением (то есть в результате применения  правил добиться того, чтобы этот  факт был включен в рабочее  множество), либо опровергнуть этот  факт (то есть убедиться, что  его вывести невозможно, следовательно,  при данном уровне знаний системы  он является ложным). Целевое утверждение  может быть либо «заложено»  заранее в базу знаний системы,  либо извлекается системой из  диалога с пользователем.

     Работа системы  представляет собой последовательность  шагов, на каждом из которых  из базы выбирается некоторое   правило, которое применяется  к текущему содержимому рабочего  множества. Цикл заканчивается,  когда выведено либо опровергнуто  целевое утверждение. Цикл работы  экспертной системы иначе называется  логическим выводом Логический  вывод может происходить многими  способами, из которых наиболее  распространенные - прямой порядок  вывода и обратный порядок  вывода.

    Прямой порядок  вывода - от фактов, которые находятся  в рабочем множестве, к заключению. Если такое заключение удается  найти, то оно заносится в  рабочее множество. Прямой вывод  часто называют выводом, управляемым  данными.

      Для иллюстрации добавим к нашему примеру базы знаний о погоде еще одно правило:

        ЕСЛИ скоро пойдет дождь

         ТО  нужно взять с собой зонтик.    (Правило 2)

    Предположим также,  что факты «Небо покрыто тучами»  и «Барометр падает» имеются  в рабочем множестве, а целью  системы является ответ на  вопрос пользователя:

  «Нужно взять с  собой зонтик?» 

  При прямом выводе  работа системы будет протекать  следующим образом:

  Шаг 1. Рассматривается  правило 1. Его условие истинно,  так как оба элемента конъюнкции  имеются в рабочем множестве.  Применяем правило 1; добавляем  к рабочему множеству факт  ”Скоро пойдет дождь”.

  Шаг 2. Рассматривается  правило 2. Его условие истинно,  т.к. утверждение из условия  имеется в рабочем множестве.  Применяем правило 2; добавляем  к рабочему множеству факт  “Нужно взять с собой зонтик”.  Целевое утверждение выведено.

    Обратный порядок  вывода: заключения просматриваются  до тех пор, пока не будет  обнаружены в рабочей памяти  или получены от пользователя  факты, подтверждающие одно из  них. В системах с обратным  выводом вначале выдвигается  некоторая гипотеза, а затем механизм  вывода в процессе работы, как  бы возвращается назад, переходя  от нее к фактам, и пытается  найти среди них те, которые  подтверждают эту гипотезу. Если  она оказалась правильной, то  выбирается следующая гипотеза, детализирующая первую являющаяся  по отношению к ней подцелью. Далее отыскиваются факты, подтверждающие  истинность подчиненной гипотезы. Вывод такого типа называется  управляемым целями. Обратный поиск  применяется в тех случаях,  когда цели известны и их  сравнительно немного. 

    В рассматриваемом  примере вывод целевого утверждения  “Нужно взять с собой зонтик”  обратной цепочкой рассуждений  выполняется следующим образом:

Шаг 1. Рассматривается правило 1. Оно не содержит цели в правой части. Переходим к правилу 2.

Шаг 2. Рассматривается правило 2. Оно содержит цель в правой части  правила. Переходим к правой части  правила и рассматриваем в  качестве текущей цели утверждения  “Скоро пойдет дождь”.

Шаг 3. Текущей цели нет  в рабочем множестве. Рассмотрим правило 1, которое содержит цель в  правой части. Обе компоненты его  условия имеются в рабочем  множестве, так что условие истинно. Применяем привило 1; в результате выводим утверждение “Скоро пойдет дождь”; которое было нашей предыдущей целью.

Шаг 4. Применяем правило 2, условием которого является данное утверждение. Получаем вывод исходного утверждения.

    Заметим, что  для упрощения ситуации мы  предположили, что в обоих случаях  факты “Небо покрыто тучами”   и “Барометр падает” уже известны  системе. На самом деле система  выясняет истинность или ложность  факта, входящего в условие  некоторого правила, спрашивая  об этом пользователя в тот  момент, когда она пытается применить  правило. 

    Интерпретатор  правил работает циклически. В  каждом цикле он просматривает  все правила, чтобы выявить  среди них те посылки, которые  совпадают с известными на  данный момент фактами из рабочего  множества. Интерпретатор определяет  также порядок применения правил. После выбора правило срабатывает, его заключение заносится в рабочее множество, 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  и срабатывает в данном цикле.  Цикл работы интерпретатора схематически  представлен на рис.4.

   

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

  Рис. 4 Цикл работы интерпретатора.

     Информация из рабочего множества последовательно сопоставляется с посылками правил для выявления успешного сопоставления. Совокупность отобранных правил составляет так называемое конфликтное множество. Для разрешения конфликта интерпретатор имеет критерий, с помощью которого он выбирает единственное правило, после чего оно срабатывает. Это выражается в занесении фактов, образующих заключение правила, в рабочее множество или в изменении критерия выбора конфликтующих правил. Если же в заключение правила входит название какого-нибудь действия, то оно выполняется (например, подается звуковой сигнал, начинает выполняться процедура и т.д.).

    Новые данные, введенные в систему с работавшим  правилом, в свою очередь могут  изменить критерий выбора правила.  В том случае, если, например, компьютерная  система, предназначенная для  игры в шахматы, разыгрывает  партию за двух игроков, то  она может принять решение  придерживаться атакующей стратегии  через ход, т.е. атаковать будет  один из партнеров. Если вы  сами играете с этой системой, то в какой- то момент она  может перейти к использованию  оборонительной стратегии (по  крайней мере временно), а затем  опять вернуться к наступательной игре. Изменение критерия основывается на заключениях, полученных после анализа положения на доске, которое представлено в рабочем множестве системы, а также правил игры (статических структурных знаний) и структурных динамических знаниях (эвристиках).

    В действительности  ЭС не располагают процедурами,  которые могли бы построить  в пространстве состояний сразу  весь путь решения задачи. Более  того, зачастую даже не удается  определить, имеется ли вообще  какое - нибудь решение задачи. Тем ни менее поиск решения выполняется, поскольку движением в пространстве состояний управляют скрытые или виртуальные процедуры. Они получили название демонов, поскольку во время работы системы находятся в “засаде” и активизируются только тогда, когда их просят о помощи, т.е. на самом деле ведут себя как добрые демоны.

    Свое название  демоны получили от “демона  Максвелла действующего лица  одного из мысленных экспериментов,  предложенного его автором для  критики законов термодинамики.  Другим их прообразом является  Пандемониум Оливера Селфриджа - первой модели человека, в котором деятельность биологической системы представлялась как работа вызываемых по образцу демонов. Если же воспользоваться научной терминологией, то такие управляющие процедуры получили название недетерминированных. Это означает, что траектория поиска решения в пространстве состояний полностью определяется данными.

    При разработке  управляющего компонента механизма  (подсистемы) вывода необходимо решить  вопрос о том, по какому критерию  следует выбирать правило, которое  будет применено в конкретном  цикле.

    Уже на ранней  стадии разработки ЭС необходимо  знать, что будет вводить конечный  пользователь. Это нужно для того, чтобы убедиться, будет ли система  достаточно практична и сможет  ли она вжиться в среду, в  которой ей предстоит работать.

    Участие пользователя выражается  в следующем: