Экспертные системы. Их состав, назначение, области применения

·          Интерпретация.

Интерпретирующие системы обладают способностью получать определенные заключения на основе результатов наблюдения. Система PROSPECTOR, одна из наиболее известных  систем интерпретирующего типа, объединяет знания девяти экспертов. Используя сочетания девяти методов экспертизы, системе удалось обнаружить залежи руды стоимостью в миллион долларов, причём наличие этих залежей не предполагал ни один из девяти экспертов. Другая интерпретирующая система - HASP/SIAP. Она определяет местоположение и типы судов в тихом океане по данным акустических систем слежения.

·          Контроль и управление.

Системы, основанные на знаниях, могут  применяться в качестве интеллектуальных систем контроля и принимать решения, анализируя данные, поступающие от нескольких источников. Такие системы уже работают на атомных электростанциях, управляют воздушным движением и осуществляют медицинский контроль. Они могут быть также полезны при регулировании финансовой деятельности предприятия и оказывать помощь при выработке решений в критических ситуациях.

·          Диагностика  неисправностей в механических и  электрических устройствах.

В этой сфере системы, основанные на знаниях, незаменимы как при ремонте  механических и электрических машин (автомобилей, дизельных локомотивов и т.д.), так и при устранении неисправностей и ошибок в аппаратном и программном обеспечении компьютеров.

·          Обучение.

Экспертные системы, выполняющие  обучение, подвергают диагностике, «отладке»  и исправлению (коррекции) поведение обучаемого. Примером является обучение студентов отысканию неисправностей в электрических цепях, обучение военных моряков обращению с двигателем на корабле и обучение студентов-медиков выбору антимикробной терапии. Обучающие системы создают модель того, что обучающийся знает и как он эти знания применяет к решению проблемы. Системы диагностируют и указывают обучающемуся его ошибки, анализируя модель и строя планы исправлений указанных ошибок. Они исправляют поведение обучающихся, выполняя эти планы с помощью непосредственных указаний обучающимся.

Большинство экспертных систем включают знания, по содержанию которых их можно  отнести одновременно к нескольким типам. Например, обучающая система  может также обладать знаниями, позволяющими выполнять диагностику и планирование. Она определяет способности обучаемого по основным направлениям курса, а затем с учетом полученных данных составляет учебный план. Управляющая система может применяться для целей контроля, диагностики, прогнозирования и планирования.

 

2. Структура, этапы разработки  экспертных систем

 

2.1.Основные компоненты экспертных  систем

Типичная экспертная система состоит  из следующих основных компонентов: решателя (интерпретатора), рабочей  памяти (РП), называемой также базой  данных (БД), базы знаний (БЗ), компонентов приобретения знаний, объяснительного и диалогового компонентов (рисунок 1).

 

Инженер + Эксперт по знаниям  Пользователь

Рис. 1. Структура экспертной системы.

База данных предназначена  для хранения исходных и промежуточных  данных решаемой в текущий момент задачи. Этот термин совпадает по названию, но не по смыслу с термином, используемым в информационно-поисковых системах (ИПС) и системах управления базами данных (СУБД) для обозначения всех данных (и в первую очередь не текущих, а долгосрочных), хранимых в системе.

База знаний в экспертной системе предназначена для хранения долгосрочных данных, описывающих рассматриваемую область (а не текущих данных), и правил, описывающих целесообразные преобразования данных этой области.

Решатель, используя исходные данные из РП и знания из БЗ, формирует такую последовательность правил, которые, будучи применёнными к исходным данным, приводят к решению задачи.

Объяснительный компонент  объясняет, как система получила решение задачи (или почему она  не получила решения) и какие знания она при этом использовала, что облегчает эксперту тестирование системы и повышает доверие пользователя к полученному результату.

Диалоговый компонент  ориентирован на организацию дружелюбного общения со всеми категориями  пользователей как в ходе решения  задач, так и приобретения знаний, объяснения результатов работы.

В разработке экспертной системы участвуют представители  следующих специальностей:

эксперт в той проблемной области, задачи которой будет решать экспертная система;

инженер по знаниям - специалист по разработке экспертных систем;

программист - специалист по разработке инструментальных средств (ИС).

Необходимо отметить, что отсутствие среди участников разработки инженера по знаниям (то есть его замена программистом) либо приводит к неудаче процесс создания экспертной системы, либо значительно удлиняет его. Эксперт определяет знания (данные и правила), характеризующие проблемную область, обеспечивает полноту и правильность введения в экспертную систему знаний.

Инженер по знаниям помогает эксперту выявить и структурировать знания, необходимые для работы экспертной системы, осуществляет выбор того ИС, которое наиболее подходит для данной проблемной области, и определяет способ того представления знаний в этом ИС, выделяет и программирует (традиционными средствами) стандартные функции (типичные для данной проблемной области), которые будут использоваться в правилах, вводимых экспертом.

Программист разрабатывает  ИС, содержащее в пределе все основные компоненты экспертной системы, осуществляет сопряжение ИС с той средой, в которой оно будет использовано.

Экспертная система  работает в двух режимах: приобретения знаний и решения задач (называемом также режимом консультации или  режимом использования экспертной системы).

В режиме приобретения знаний общение с экспертной системой осуществляется через посредничество инженера по знаниям. Эксперт описывает проблемную область в виде совокупности данных и правил. Данные определяют объекты, их характеристики и значения, существующие в области экспертизы. Правила определяют способы манипулирования данными, характерные для рассматриваемой проблемной области. Эксперт, используя компонент приобретения знаний, наполняет систему знаниями, которые позволяют экспертной системе в режиме решения самостоятельно (без эксперта) решать задачи из проблемной области.

Важную роль в режиме приобретения знаний играет объяснительный компонент. Именно благодаря ему  эксперт на этапе тестирования локализует причины неудачной работы экспертной системы, что позволяет эксперту целенаправленно модифицировать старые или вводить новые знания. Обычно объяснительный компонент сообщает следующее: как правильно используют информацию пользователя; почему искались или не использовались данные или правила; какие были сделаны выводы и так далее. Все объяснения делаются, как правило, на ограниченном естественном языке или языке графики.

Режиму приобретения знаний при традиционном подходе  к разработке программ соответствуют  этапы алгоритмизации, программирования и отладки, выполняемые программистом. В отличие от традиционного подхода разработку программ осуществляет эксперт (с помощью экспертной системы), не владеющий программированием, а не программист.

В режиме консультации общение  с экспертной системой осуществляет конечный пользователь, которого интересует результат и (или) способ получения решения. Пользователь в зависимости от назначения экспертной системы может не быть специалистом в данной проблемной области, в этом случае он обращается к экспертной системе за советом, не умея получить ответ сам, или быть специалистом, в этом случае он обращается к экспертной системе, чтобы либо ускорить процесс получения результата, либо возложить на экспертную систему рутинную работу. Термин «пользователь» означает, что им является и эксперт, и инженер по знаниям, и программист. Поэтому, когда хотят подчеркнуть, что речь идёт о том, для кого делалась экспертная система, используют термин «конечный пользователь».

В режиме консультации данные о задаче пользователя обрабатываются диалоговым компонентом, который выполняет  следующие действия:

распределяет роли участников (пользователя и экспертной системы) и организует их взаимодействие в  процессе кооперативного решения задачи;

 преобразует данные  пользователя о задаче, представленные  на привычном для пользователя  языке, на внутренний язык системы;

преобразует сообщения  системы, представленные на внутреннем языке, в сообщения на языке, привычном  для пользователя (обычно это ограниченный естественный язык или язык графики).

После обработки данные поступают в РП. На основе входных  данных в РП, общих данных о проблемной области и правил из БЗ решатель (интерпретатор) формирует решение задачи.

В отличие от традиционных программ экспертная система в режиме решения задачи не только исполняет  предписанную последовательность, но и предварительно формирует её. Если ответ экспертной системы не понятен пользователю, то он может потребовать объяснения, как ответ получен.

 

2.2. Классификация инструментальных  средств экспертных систем

 

В широком толковании в инструментарий включают и аппаратуру, ориентированную на разработку экспертных систем (аппаратурный инструментарий).

На проектирование и  создание одной экспертной системы  раньше требовалось 20-30 чел.-лет. В настоящее  время имеется ряд средств, ускоряющих создание экспертных систем. Эти средства называются инструментальными (ИС), или инструментарием. Использование ИС сокращает время разработки экспертных систем в 3 - 5 раз.

Экспертные системы  выполняются на ЭВМ следующих  типов: общего назначения; ПЭВМ; интеллектуальные рабочие станции (то есть рабочие станции типа San, Арроlо и др., снабжённые эффективными ИС для создания экспертной системы); последовательные символьные ЭВМ типа ЛИСП - машин (Symbolik-3670, А1рhа, Ехр1огег, Хегох 1100 и дугие) и ПРОЛОГ - машин; параллельные символьные ЭВМ (Connection, Dado, Faun, Hyper Cube и другие).

Программные ИС определяются следующей совокупностью характеристик: назначение; стадия существования; тип  ИС; тип используемых методов и  знаний; универсальность; основные свойства; среда функционирования.

Назначение определяет, для работы в каких проблемных областях и для создания какой стадии экспертной системы предназначено ИС.

По степени отработанности ИС обычно выделяют три стадии существования: экспериментальная, исследовательская, коммерческая. Экспериментальные ИС создаются для решения узких специфических задач и редко проверяются на других задачах, обычно они работают медленно и неэффективно. Следующей стадией является исследовательская. Средства, достигшие этой стадии, обычно тщательно проверены, имеют документацию и поддерживаются разработчиком, однако они ещё могут действовать медленно и неэффективно. Исследовательские ИС используются при разработке прототипов экспертных систем. Высшей стадией существования ИС является коммерческая. Этой стадии достигают те ИС, которые всесторонне и тщательно проверены, хорошо документированы, сопровождаются разработчиком, являются быстрыми и обладают удобным интерфейсом с пользователем.

По типу ИС классифицируются следующим  образом:

·          символьные языки программирования, ориентированные на создание экспертных систем и систем искусственного интеллекта (например, LISP, INTRLISP, SMALLTALK);

·           языки  инженерии знаний, т.е. языки высокого уровня, ориентированные на построение экспертных систем (например, ОРS-5, LOOPS, КЕS, ПРОЛОГ);

·           системы, автоматизирующие разработку (проектирование) экспертных систем, (например, КЕЕ, АRТ, ТЕIRЕSIAS, АGЕ, ТIММ), их часто называют окружение (еnvironment) для разработки систем ИИ, ориентированных на знания;

·          оболочки экспертных систем (или пустые экспертные) – экспертные системы, не содержащие знаний ни о какой проблемной области (например, ЭКСПЕРТИЗА, ЕМYСIN,ЭКО, ЭКСПЕРТ).

В приведённой классификации ИС перечислены в порядке убывания трудозатрат, необходимых на создание с их помощью конкретной экспертной системы. Действительно, при использовании ИС первого типа в задачу разработчика входит программирование всех компонентов экспертной системы на языке довольно низкого уровня. Использование ИС второго типа позволяет значительно повысить уровень языка, что, как правило, приводит к некоторому снижению эффективности. Инструментальные средства третьего типа позволяют разработчику не программировать все или часть компонентов экспертной системы, а выбирать их из заранее составленного набора. При применении ИС четвертого типа разработчик ИС полностью освобождается от работ по созданию программ, так как берет готовую пустую экспертную систему.

При использовании ИС третьего и особенно четвертого типа могут возникнуть следующие проблемы: управляющие стратегии, вложенные в процедуры вывода ИС, могут не соответствовать методам решения, которые использует эксперт, взаимодействующий с данной экспертной системой, что может приводить к неэффективным, а возможно, и к неправильным решениям; язык представления знаний, принятый в ИС, может не подходить для данного приложения.

Развитие систем, автоматизирующих разработку экспертных систем, приводит к появлению ИС, которые можно  назвать настраиваемыми оболочками. Эти ИС позволяют разработчику использовать оболочку не как нечто неизменное, а генерировать оболочку из множества механизмов, имеющихся в ИС. Типичными таймерами таких ИС являются КЕЕ, АRТ, ЭКСПЕРТИЗА, ГЛОБ.

Инструментальные средства можно классифицировать и по классам  экспертных систем на: ИС для создания простых экспертных систем, ИС для создания сложных экспертных систем. В настоящее время, как правило, ИС первого типа разрабатываются на ПЭВМ, а второго - на символьных ЭВМ, ЭВМ общего назначения и интеллектуальных рабочих станциях.

По типу используемых методов и знаний ИС делятся, так же как и экспертные системы, на традиционные, использующие только методы и способы представления инженерии знаний, и гибридные, сочетающие подходы инженерии знаний с подходами, развитыми в традиционном программировании при представлении данных и использовании подпрограмм.