Структура экспертных систем.

Структура традиционной статической ЭС включает следующие основные компоненты (рисунок 1):

- решатель (интерпретатор);

- рабочую память;

- базу знаний;

- компонент приобретения знаний;

- объяснительный компонент;

- диалоговый компонент.

Рисунок 1 – Структура ЭС

База данных (рабочая память) 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 (в первую очередь долгосрочных), хранимых в системе.

База знаний (БЗ) в ЭС 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 рабочей памяти и знания из БЗ, формирует такую последовательность правил, которые, будучи примененными к исходным данным, приводят к решению задачи.

Компонент приобретения знаний автоматизирует процесс наполнения ЭС знаниями, осуществляемый пользователем-экспертом.

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

Диалоговый компонент ориентирован на организацию дружественного общения с пользователем как в ходе решения задач, так и в процессе приобретения знаний и объяснения результатов работы.

В базе знаний содержатся факты, на основе которых производится выработка решения. Решатель – алгоритм, программа, набор правил, по которым осуществляется решение задачи. Процесс рассуждений реализуется на основе базы знаний и рабочей памяти. Решатель выполняет две функции: во-первых, просмотр существующих фактов из рабочей памяти и правил из базы знаний и добавление (по мере возможности) в рабочую память новых фактов и, во-вторых, определение порядка просмотра и применения правил. На диалоговый компонент возложена задача ведения диалога о решаемой задаче на языке пользователя (эксперта). Компонент приобретения знаний как программный модуль может в ЭС отсутствовать. Его задача – приобретать в ходе диалога новые знания. Наличие объяснительного компонента дает ЭС способность при решении задачи следовать линии рассуждений, понятной пользователю (эксперту), и объяснять ход рассуждений.

В разработке ЭС участвуют представители следующих специальностей:

Эксперт в проблемной области, задачи которой будет решать ЭС;

Иженер по знаниям - специалист по разработке ЭС (используемые им технологию, методы называют технологией (методами) инженерии знаний);

Программист по разработке инструментальных средств (ИС), предназначенных для ускорения разработки ЭС.

Эксперт определяет знания (данные и правила), характеризующие проблемную область, обеспечивает полноту и правильность введенных в ЭС знаний.

Инженер по знаниям помогает эксперту выявить и структурировать знания, необходимые для работы ЭС; осуществляет выбор того ИС, которое наиболее подходит для данной проблемной области, и определяет способ 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 (если ИС разрабатывается заново), содержащее в пределе все основные компоненты ЭС, и осуществляет его сопряжение с той средой, в которой оно будет использовано.

Система функционирует в следующем циклическом режиме:

1. Диалоговый компонент запрашивает данные или результатов анализов, наблюдений (этот этап может быть реализован в виде системы вопросов к пользователю) и помещает их в рабочую память.

2. Решатель интерпретирует результаты с помощью правил, извлеченных из базы знаний.

В случае нехватки информации для окончательного решения процесс продолжается до тех пор, пока не поступит достаточное количество информации.

В любой момент времени в системе существуют три типа знаний:

- статические знания о предметной области, после того как эти знания выявлены, они уже не изменяются;

- динамические знания о предметной области, они обновляются по мере выявления новой информации;

- рабочие знания - знания, применяемые для решения конкретной задачи или проведения консультации.

Все перечисленные выше знания хранятся в базе знаний. Для ее построения требуется провести опрос специалистов, являющихся экспертами в конкретной предметной области, а затем систематизировать, организовать и снабдить эти знания указателями, чтобы впоследствии их можно было легко извлечь из базы знаний.

Динамическая ЭС отличается от статической наличием двух дополнительных компонентов:

- подсистемы моделирования внешнего мира;

- подсистемы связи с внешним окружением, осуществляющей связь с внешним миром посредством датчиков и контроллеров.

Этапы создания ЭС.

В настоящее время существуют такие поколения ЭС:

1) Статические поверхностные

2) Статические глубинные

3) Динамические, глубинные, гибридные

Создавать экспертную систему нужно, если это :

- возможно;

- оправдано;

- методы соответствуют решению задачи.

Определение возможности создания ЭС:

- есть эксперты, которые решают задачу лучше, чем начинающие специалисты;

- эксперты сходятся в оценке предлагаемого решения;

- решение требует только рассуждений, а не действий;

- не слишком трудная задача;

- структурованная область;

Оправданность:

- решение приносит существенный эффект;

- нельзя использовать человека-эксперта т.к. его нет рядом;

- нельзя обмениваться информацией с человеком-экспертом из-за времени;

- или нужно решать задачу в окружении, враждебном человеку.

Соответствие методам экспертной системы:

- решается работой символами, а не с числами;

- имеет эврестическую, а не алгоритмическую природу;

- должна быть достаточно сложная задача;

- достаточно узкая задача, чтобы было практически значимое решение.

Концепция создания «Быстрого прототипа» ЭС.

Суть концепции – она не пытается сразу создать конечный продукт.

Прототип решает типические задачи, но время и трудоемкость его создания должны быть при этом незначительны.

Этапы создания ЭС.

Этап идентификации:

- идентифицируется задача, определяются участники проектирования, ресурсы, цели.

Этап концептуализации:

Определение ключевых понятий, отношений, характеристик, необходимых для описания процесса решения задачи;

- типы данных;

- исходные и выводимые данные;

- подзадачи общей задачи;

- стратегии и гипотезы;

- виды взаимосвязей между объектами;

- тип отношений (иерархия, причина-следствие, часть-целое и т.д.)

- процессы и типы ограничений;

- состав знаний для решения;

- состав знаний для объяснения.

Этап формализации:

- ключевые понятия выражаются на некотором формальном языке;

- определяется, подходят ли ИС для решения выбранной проблемы;

Выход- описание того, как задача может быть представлена в выбранном или разработанном варианте.

Этап выполнения:

Создание одного или нескольких прототипов экспертной системы, по результатам этапов тестирования и опытной эксплуатации - создание законченного продукта.

Этап тестирования:

- оценка выбранного способа представления знаний и экспертной системы в целом;

- проверка на широком круге примеров;

- выявление недостатков базы знаний и управляющего механизма.

Этап опытной эксплуатации:

- проверка пригодности для конечного пользователя;

- апробация удобства системы.

Модификация системы:

- переформулирование понятий и требований;

- переконструирование представления;

- усовершенствование прототипа.

Экспертная система работает в двух режимах: режиме приобретения знаний и в режиме решения задачи (называемом также режимом консультации или режимом использования ЭС).

В режиме приобретения знаний общение с ЭС осуществляет (через посредничество инженера по знаниям) эксперт. В этом режиме эксперт, используя компонент приобретения знаний, наполняет систему знаниями, которые позволяют ЭС в режиме решения самостоятельно (без эксперта) решать задачи из проблемной области. 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 с данными, характерные для рассматриваемой области.

Отметим, что режиму приобретения знаний в традиционном подходе к разработке программ соответствуют этапы алгоритмизации, программирования и отладки, выполняемые программистом. Таким образом, в отличие от традиционного подхода в случае ЭС разработку программ осуществляет не программист, а эксперт (с помощью ЭС), не владеющий программированием.

В режиме консультации общение с ЭС осуществляет конечный пользователь, которого интересует результат и (или) способ его получения. Необходимо отметить, что в зависимости от назначения ЭС пользователь может не быть специалистом в данной проблемной области (в этом случае он обращается к ЭС за результатом, не умея получить его сам), или быть специалистом (в этом случае пользователь может сам получить результат, но он обращается к ЭС с целью либо ускорить процесс получения результата, либо возложить на ЭС рутинную работу). В режиме консультации данные о задаче пользователя после обработки их диалоговым компонентом поступают в рабочую память. Решатель на основе входных данных из рабочей памяти, общих данных о проблемной области и правил из БЗ формирует решение задачи. ЭС при решении задачи не только исполняет предписанную последовательность операции, но и предварительно формирует ее. Если реакция системы не понятна пользователю, то он может потребовать объяснения: