Проблема знаний
В данном разделе курса речь идет о проблемах формирования, хранения и использования «знаний» (пока мы считаем, что «знания» – любая информация о системе и ее окружении) на всех этапах жизненного цикла системы искусственного интеллекта (системы ИИ)/интеллектуальной системы (ИС).
1.Терминологические замечания:

а) Предметная область (ПО) – «срез» действительности, со своими объектами, отношениями.

Проблемная область (ПО) – Предметная область + характерные задачи.

Примеры:

Предметная область – Лисп как язык для обработки списков

Проблемные области: автоматический синтез программ на Лиспе,

автоматизированное обучение приемам программирования на Лиспе.

б)Из психологии и педагогики нам известна триада: знания – умения – навыки.

Знания – усвоенные Понятия.

Умения – способность выполнять новые действия в новых условиях.

Навыки – действия, автоматизировавшиеся в процессе их усвоения и выполнения.

В работах по ИИ знаниями обычно называют и собственно знания, и умения, и навыки.

Поэтому говорят о: базах понятий, базах фактов, базах правил и т.п.

Вот, например, два определения из Интернет-ресурса «Тематическая служба толковых словарей» – http://www.glossary.ru.

Знания (в информатике) – вид информации, отражающей опыт специалиста (эксперта) в определенной ПО, его понимание множества текущих ситуаций и способы перехода от одного описания объекта к другому.

Знания о ПО подразделяются на:

-факты, относящиеся к ПО;

-закономерности, характерные для ПО;

-гипотезы о возможных связях между явлениями, процессами и фактами;

-процедуры для решения типовых задач в данной ПО.

Чтобы не вступать в противоречие с литературными источниками, мы согласимся с такой трактовкой (расширенной) термина знания.

в)Базы знаний (БЗ) в работах по ИИ часто не совсем корректно противопоставляются базам данных (утверждается, например, что базы знаний в отличие от баз данных имеют встроенный дедуктивный механизм вывода следствий из известных фактов и т.п.).

Для нас это феномены разноплановых уровней:

База знаний – (у нас) – совокупность «знаний» системы ИИ в компьютерном представлении. Средством представления «знаний» может быть, в частности, та или иная штатная база данных (в обычном смысле).
2.Некоторые острые аспекты проблемы знаний:

Проблема извлечения знаний

Извлечение знаний – процесс взаимодействия инженера по знаниям с источником знаний (экспертом), в результате которого становятся явными процесс рассуждений специалистов при принятии решения и структура их представлений о предметной области.

Проблема приобретения знаний

Приобретение знаний – автоматизированное построение базы знаний посредством диалога эксперта и/или инженера знаний со специальной программой формирования БЗ.

Экспертные знания – знания, которыми располагает специалист в некоторой проблемной области.

Эксперт – специалист в некоторой проблемной области.

Инженер знаний/Инженер по знаниям/Когнитолог – специалист по искусственному интеллекту, проектирующий и создающий базу знаний системы ИИ. Обычно инженер по знаниям выступает в роли «посредника» между экспертом и базой знаний

Проблема открытости знаний

Совокупность «знаний» системы ИИ неизбежно должна быть открыта для включения в нее новой информации, отражающей динамику проблемной среды и динамику поручаемых системе ИИ заданий.

Открытость может быть реализована по-разному:

- пополнение БЗ «хирургическим путем» (программист/администратор вносят изменения в тексты БЗ),

- обучение системы пользователем в рабочем режиме,

- самообучение системы (приспособление ее к новым условиям/задачам).

3.Базовые методы представления знаний:
Метод представления знаний – совокупность взаимосвязанных средств формального описания знаний и оперирования (манипулирования) этими описаниями.

(аналог модели данных в теории Баз Данных – понятие концептуального уровня)

Логические методы (язык предикатов)

Знания, необходимые для решения задач и организации взаимодействия с пользователем, – факты (утверждения).

Факт – формула в некоторой логике.

Система знаний – совокупность формул.

База знаний – система знаний в компьютерном представлении.
Основные операции: логический вывод (доказательство теорем)
Примеры:

иметь (Саша, книга) «Саша имеет книгу»

иметь (Саша, книги) ® иметь (Саша, книга) «Если Саша имеет книги, то он имеет книгу»

("x) [человек (x) ® иметь (x, книга)] «Каждый человек имеет книгу»

("x) [свободен (x) ® Ø($y) (на (y,x))] «Если кубик x свободен, то нет такого кубика y,

который находится на кубике x»

Достоинства:

• 
  формальный аппарат вывода (новых фактов/знаний из известных фактов/знаний),
  
• 
  возможность контроля целостности,
  
• 
  простая и ясная нотация.
  

Недостатки:

• 
  знания трудно структурировать,
  
• 
  при большом количестве формул вывод идет очень долго,
  
• 
  при большом количестве формул их совокупность трудно обозрима.
  

Семантические сети

Знания, необходимые для решения задач и организации взаимодействия с пользователем, – объекты/события и связи между ними.

Статические семантические сети - сети с объектами.

Динамические семантические сети (сценарии) - сети с событиями.

Система знаний – совокупность сетей (или одна общая сеть).

База знаний – система знаний в компьютерном представлении.

Для представления семантических сетей используются графы:

вершина - атомарный объект (событие),

подграф - структурно сложный объект (событие),

дуга - отношение или действие.

Примеры отношений:

род-вид («компьютер» – «персональный компьютер»)

целое-часть («компьютер» – «память»)

понятие-пример («компьютер» – «конкретный компьютер . . . »)

Основные операции: сопоставление с образцом, поиск, замена, взятие копии
Примеры семантических сетей:

Будут позже (на сегодняшней лекции).

Достоинства:

• 
  знания хорошо структурированы, структура понятна человеку.
  

Недостатки:

• 
  при большом объеме сети очень долго выполняются все операции,
  
• 
  при большом объеме сети она трудно обозрима.
  

Фреймы

Знания, необходимые для решения задач и организации взаимодействия с пользователем, – фреймы.

Фрейм-понятие – отношение/действие + связанные этим отношением/участвующие в этом действии объекты.

Фрейм-пример – конкретный экземпляр отношения/действия + конкретные объекты (связанные этим отношением/участвующие в этом действии).

Система знаний – совокупность фреймов-понятий и фреймов-примеров.

База знаний – система знаний в компьютерном представлении.

Фрейм: ИМЯ - отношение/действие

СЛОТЫ - объекты или другие фреймы

С каждым слотом может быть связана такая информация:

УСЛОВИЕ НА ЗАПОЛНЕНИЕ (тип, «по умолчанию», связь с другими слотами)

АССОЦИИРОВАННЫЕ ПРОЦЕДУРЫ (действия, выполняемые, например, при заполнении этого слота)
Основные операции: поиск фрейма/слота, замена значения слота, взятие копии фрейма-понятия
Примеры:

Фрейм-понятие «Перемещать»

ПЕРЕМЕЩАТЬ (кто?, что?, откуда?, куда?, когда?, . . .)

Условия: кто? – человек, робот, . . .

откуда? – место

. . .

Фрейм-пример

ПЕРЕМЕЩАТЬ (Саша, Саша, Главное_Здание_МГУ, Факультет_ВМК, вчера в 15-30, . . .)

Фрейм-понятие «Персональный_компьютер»

ПЕРСОНАЛЬНЫЙ_КОМПЬЮТЕР (фирма-производитель?, процессор?, память?, . . .)

Фрейм-пример

ПЕРСОНАЛЬНЫЙ_КОМПЬЮТЕР (ASUS, Intel Celeron, 512Мб, . . .)

Достоинства:

• 
  знания хорошо структурированы, структура понятна человеку.
  

Недостатки:

• 
  при большом количестве фреймов долго выполняются все операции,
  
• 
  при большом количестве фреймов знания трудно обозримы.
  

Продукции

Знания, необходимые для решения задач и организации взаимодействия с пользователем, – продукции (продукционные правила).

Продукция – правило вида: p: a®b (где: p – предусловие, a - антецедент, b - консеквент).

Система знаний – система продукционных правил + стратегия выбора правил.

База знаний – система знаний в компьютерном представлении.
Основные операции: вывод (применение правила, определение правила-преемника и т.д.)
Примеры:

True: T > 200°C & P > 5 кПа ® открыть клапан № 3

True: Х - башня ® Х имеет_часть У1 & У1 есть КРЫША & . . .
Достоинства:

• 
  простая и ясная нотация.
  

Недостатки:

• 
  при большом количестве правил вывод идет очень долго,
  
• 
  при большом количестве правил их совокупность трудно обозрима.
  

4.Сложности формирования БЗ (на примерах):
Пример: Формирование описания объекта на основе знаний «здравого смысла»

При описании АРКИ одного из объектов Мира Кубиков с помощью семантических сетей мы будем использовать: 1)объекты/понятия: арка, блок, пирамида (пирам), многогранник (мног);

2)отношения: целое-часть (1), род-вид (2), поддерживает (3) и некоторые другие.

Рассматривается проекция трехмерных объектов на плоскость.

В описание не включается очевидный факт – работа с Кубиками ведется на плоскости (table).

Достаточно естественный вариант АРКИ: может быть описан так:

Другой возможный вариант АРКИ: имеет другое описание:


Если в БЗ будет указано, что блок и пирам –

частные случаи объекта мног → можно дать обобщенное описание АРКИ:

В этом описании не учтен «вырожденный» случай арки (см. ниже). Для того, чтобы исключить такой объект, следует указать, что блоки основания АРКИ не соприкасаются.


Не очень понятно, следует ли считать АРКОЙ объект, изображенный на следующем рисунке («феномен кучи»). Можно заменить в описании отношение не соприкасаются (4)

отношением расстояние между блоками > δ (5).

Отметим, что этот пример можно рассматривать не только в контексте описания (и его формализации) ПО человеком, но и в контексте обучения системы ИИ.

Пример: Использование в качестве источника информации о ПО энциклопедических источников

Некоторые словарные статьи из «Толкового словаря Ожегова» (http://www.ozhegov.ru/):

АВТОБУС: многоместный автомобиль для перевозки пассажиров

АВТОМОБИЛЬ: транспортное средство на колесном ”реже полугусеничном или другом” ходу с собственным двигателем для перевозок по безрельсовым путям

…

МАШИНА: == автомобиль. Служебная, личная м. Гараж для машины.

…

ТРАМВАЙ: городская наземная электрическая железная дорога, а также ее вагон или поезд.

…

ТРОЛЛЕЙБУС: многоместная электрическая транспортная машина, идущая по безрельсовым путям.

…

РОТОР: вращающаяся часть в машинах.
Верно ли такое формальное описание объекта «ротор» (логические методы представления знаний):

Ротор (x) ↔ Часть (x, y) & Машина (y) & Вращается (x) ?

Вероятно, нет. Так как, если Машина не работает, то Ротор не Вращается.

Возможное уточнение (требует привлечения информации, которой нет в источнике):

Ротор (x) ↔ ("t) [Работает (y, t) & Часть (x, y) & Машина (y) → Вращается (x)]
5. Метазнания в системах искусственного интеллекта:
Метазнания – знания системы ИИ о ее собственных знаниях: как они структурированы, как и при каких условиях их можно менять (в том числе, с учетом проблемы полномочий: автоматическое изменение, изменения после получения подтверждения от пользователя, изменение пользователем).

С использованием метазнаний в экспертных системах мы познакомимся в соответствующем разделе.

В данном разделе мы рассматриваем метазнания как средство разрешения конфликта между наличными знаниями системы ИИ (содержанием базы знаний) и входной информацией.
Примеры конфликтов:

- не удается завершить анализ текста условия задачи, т.к. в нем встретилось незнакомое системе ИИ слово;

- не удается продолжить планирование решения, т.к. ни один оператор к очередной вершине дерева поиска неприменим;

- новый факт формально противоречит одному из ранее известных.

Разрешение конфликта (на примере появления во входном тексте слова, которое не входит в словарь системы ИИ):

• 
  поиск возможных причин (незнакомое слово – это либо действительно новое слово, либо слово с орфографической ошибкой);
  
• 
  их динамическое (в текущем сеансе общения с известным пользователем: один часто допускает клавиатурные ошибки, другой любит использовать необычные/редкие слова) упорядочение;
  
• 
  выбор наилучшего способа устранения конфликта (заменить букву, вставить пропущенный пробел и т.п.);
  
• 
  необходимая временная коррекция базы знаний (например, временное снятие запрета на появление незнакомых слов) или изменение входных данных (исправление орфографической ошибки);
  
• 
  обучение (факультативно), например, запись в словарь системы нового слова.
  

Вспомним, что модуль проверки правописания текстового процессора при появлении незнакомого системе слова предлагает: пропустить это слово, исправить ошибку (выбрав вариант, предлагаемый системой, либо, предложив свой вариант исправления) или добавить слово в словарь системы.