Тип приложения характеризуется следующими признаками

Классификационные признаки ЭС. В основе классификации экспертных систем лежат следующие параметры: тип приложения, стадия существования, масштаб, тип проблемной среды, тип решаемой задачи.

Тип приложения характеризуется следующими признаками.

1. Возможность взаимодействия приложения с другими программ-
ными средствами:

изолированное приложение - экспертная система, не способная взаимодей-ствовать с другими программными системами (например, с базами данных, электронными таблицами, пакетами прикладных программ, контроллерами, датчиками и т.п.);
интегрированное приложение - экспертная система и другие программные системы, с которыми она взаимодействует в ходе работы. Большинство современных ЭС, используемых для решения практически значимых задач, являются интегрированными.

2. Возможность исполнять приложение на разнородной аппаратуре и
переносить его на различные платформы:

закрытые приложения — исполняются только в программной среде данной фирмы и могут быть перенесены на другие платформы только путем перепрограммирования приложения;
открытые приложения — ориентированы на исполнение в разнородном программно-аппаратном окружении и могут быть перенесены на другие платформы без перепрограммирования.

3. Архитектура приложения:

централизованное приложение - реализуется на базе центральной ЭВМ, с которой связаны терминалы;
распределенное приложение - обычно используется архитектура клиент-сервер.

Стадия существования характеризует степень завершенности разработки ЭС. В нее входят:

• исследовательский прототип - решает представительный класс задач проблемной области, но может быть неустойчив в работе и не полностью проверен. При наличии развитых инструментальных средств при разработке исследовательского прототипа требуется примерно 2-4 месяца. База знаний исследовательского прототипа обычно содержит небольшое число исполняе-мых утверждений;

действующий прототип - надежно решает любые задачи проблемной области, но при решении сложных задач может потребовать чрезмерно много времени и (или) памяти. Доведение системы от начала разработки до стадии действующего прототипа требует примерно 6-9 месяцев, при этом количество исполняемых утверждений в базе знаний увеличивается по сравнению с исследовательским прототипом;
промышленная система - обеспечивает высокое качество решения всех задач при минимуме времени и памяти. Обычно процесс преобразования действующего прототипа в промышленную систему состоит в расширении базы знаний и ее тщательной отладке. Доведение ЭС от начала разработки до стадии промышленной системы с применением развитых инструменталь-ных средств требует не менее 12-18 месяцев;

• коммерческая система - пригодна не только для использования

разработ-чиком, но и для продажи различным потребителям. Доведение системы до коммерческой стадии требует примерно 1,5-2 года. Приведенные здесь сроки справедливы для ЭС средней сложности.

Масштаб ЭС характеризует сложность решаемых задач и связан с типом используемой ЭВМ. По этому признаку различают:

малые ЭС - предназначены для первичного обучения и исследования возможности применения технологии ЭС для рассматриваемого класса задач. Системы такого типа могут быть реализованы на персональных компьютерах;
средние ЭС - охватывают весь спектр необходимых приложений и обычно интегрированы сбазами данных, электронными таблицами и т.д. Системы такого масштаба чаще всего реализуются на рабочих станциях;
большие ЭС - имеют доступ к мощным базам данных и реализуются на рабочих станциях или на специализированных компьютерах;
символьные ЭС - создаются с исследовательскими целями и реализуются на специализированных компьютерах, ориентированных на обработку символьных данных.

Понятие проблемной среды включает описание предметной области (множество сущностей, описывающих множество объектов, их характеристик и отношений между объектами) и решаемых в ней задач. Другими словами, проблемная среда включает структуры данных и решаемые с ними задачи, представленные в виде исполняемых утверждений (правил, процедур, формул и др.). В связи с этим проблемная среда определяется характеристиками соответствующей предметной области и характеристиками типов решаемых в ней задач.

Характеристики предметной области.

1. Тип предметной области:

статический - входные данные не изменяются за время сеанса работы приложения, значения других (не входных) данных изменяются только самой экспертной системой;
динамический - входные данные, поступающие из внешних источников, изменяются во времени, значения других данных изменяются ЭС или подсистемой моделирования внешнего окружения.

2. Способ описания сущностей предметной области:

совокупность атрибутов и их значений (фиксированный состав сущностей);
совокупность классов (объектов) и их экземпляров (изменяемый состав сущностей).

3. Способ организации сущностей в БЗ:

неструктурированная БЗ;
структурирование сущностей в БЗ по различным иерархиям, («частное - общее», «часть - целое», «род - вид»), что обеспечивает наследование свойств сущностей.

Структурирование БЗ способствует:

• ограничению круга сущностей, которые должны рассматриваться механизмом вывода, и сокращению количества перебираемых вариантов в процессе выбора решения;

• обеспечению наследования свойств сущностей, т.е. передачи свойств вышерасположенных в иерархии сущностей нижерасположенным сущностям, что значительно упрощает процесс приобретения и использо-вания знаний.

Характеристики типов решаемых в проблемной области задач.

1. Тип решаемых задач:

• задачи анализа или синтеза. В задаче анализа задана модель сущности и требуется определить неизвестные характеристики модели. В задаче синтеза задаются условия, которым должны удовлетворять характеристики «неизвестной» модели сущности, и требуется построить модель этой сущности. Решение задачи синтеза обычно включает задачу анализа как составную часть;

• статические или динамические задачи. Если задачи, решаемые ЭС, явно не учитывают фактор времени и/или не изменяют в процессе своего решения знания об окружающем мире, то ЭС решает статические задачи, в противном случае речь идет о решении динамических задач. Учитывая значимость времени в динамических проблемных средах, многие специалисты называют их приложениями, работающими в реальном времени. Обычно выделяют следующие системы реального времени: псевдореального времени, «мягкого» реального времени и «жесткого» реального времени. Системы псевдореального времени, как следует из названия, не являются системами реального времени, однако они, в отличие от статических систем, получают и обрабатывают данные, поступающие из внешних источников. Системы псевдореального времени решают задачу быстрее, чем происходят значимые изменения информации об окружающем мире.

2. Общность исполняемых утверждений:

частные исполняемые утверждения, содержащие ссылки на конкретные сущности (объекты);
общие исполняемые утверждения, относящиеся к любым сущностям заданного типа (вне зависимости от их числа и имени). Использование общих утверждений позволяет значительно лаконичнее представлять знания. Однако поскольку общие утверждения не содержат явных ссылок на конкретные сущности, для их использования каждый раз требуется определять те сущности, к которым они должны применяться.

Не все сочетания перечисленных выше параметров, характеризующих проблемную среду, встречаются на практике. Наиболее распространены следующие типы проблемных сред:

• статическая предметная область: представление сущностей в виде совокупности атрибутов и их значений, неизменяемый состав сущностей, БЗ не структурирована, решаются статические задачи анализа, используются только частные исполняемые утверждения;

представление сущностей объектами, изменяемый состав сущностей, БЗ структурирована, решаются статические задачи анализа и синтеза, используются общие и частные исполняемые утверждения;

динамическая предметная область: представление сущностей совокупностью атрибутов и их значений, неизменяемый состав сущностей, БЗ не структурирована, решаются динамические задачи анализа, используются частные исполняемые утверждения;

представление сущностей в виде объектов, изменяемый состав сущностей, БЗ структурирована, решаются динамические задачи анализа и синтеза, используются общие и частные исполняемые утверждения. ЭС различают следующие типы решения задач: интерпретация данных - процесс определения смысла данных, результаты которого должны быть согласованными и корректными. Экспертные системы, как правило, проводят многовариантный анализ данных;

диагностика - процесс соотнесения объекта с некоторым классом объектов и/или обнаружение неисправностей в системе (отклонений параметров системы от нормативных значений); мониторинг - непрерывная интерпретация данных в реальном масштабе времени и сигнализация о выходе тех или иных параметров за допустимые пределы;

проектирование - создание ранее не существовавшего объекта и подготовка спецификаций на создание объектов с заранее определенными свойствами. Степень новизны может быть разной и определяется видом знаний, заложенных в ЭС, и методами их обработки. Для организации эффективного проектирования требуется формировать не только сами проектные решения, но и мотивы их принятия. ЭС, решающие задачи проектирования, реализуют процедуры вывода решения и объяснения полученных результатов;

прогнозирование - предсказание последствий некоторых событий или явлений на основе анализа имеющихся данных. Прогнозирующие ЭС логически выводят вероятные следствия из заданных ситуаций. В прогнозирующих ЭС в большинстве случаев используются динамические модели, в которых значения параметров «подгоняются» под заданную ситуацию. Выводимые из этих моделей следствия составляют основу для прогнозов с вероятностными оценками;
планирование - построение планов действий объектов, способных выполнять некоторые функции. Работа ЭС по планированию основана на моделях поведения реальных объектов, которые позволяют проводить логический вывод последствий планируемой деятельности;
обучение - использование компьютера для обучения каким-либо дисциплине или предмету. Экспертные системы обучения выполняют такие функции, как диагностика ошибок, подсказывание правильных решений; аккумулирование знаний о гипотетическом «ученике» и сю характерных ошибках; диагностирование слабости в познаниях обучаемых и нахождение соответствующих средств для их ликвидации. Системы обучения способны планировать акт общения с учеником в зависимости от успехов ученика для передачи необходимых знаний;
управление - функция организованной системы, поддерживающая определен-ный режим ее деятельности. Экспертные системы данного типа предназна-чены для управления поведением сложных систем в соответствии с заданными спецификациями;
поддержка принятия решений - совокупность процедур, обеспечивающая лицо, принимающее решения, необходимой информацией и рекомендациями, облегчающими процесс принятия решения. Такого рода ЭС оказывают помощь специалистам в выборе и/или генерации наиболее рациональной альтернативы из множества возможных при принятии ответственных решений.

Задачи интерпретации данных, диагностики, поддержки принятия решений относятся к задачам анализа, задачи проектирования, планирования и управления - к задачам синтеза. К комбинированному типу задач относятся обучение, мониторинг и прогнозирование.
Характеристика инструментальных средств разработки ИИС. Трудоемкость разработки ИИС в значительной степени зависит от используемых инструментальных средств (ИС). Инструментальные средства для разработки интеллектуальных приложений можно классифицировать по следующим основным параметрам:

уровень используемого языка;
парадигмы программирования и механизмы реализации;
способ представления знаний;
механизмы вывода и моделирования;
средства приобретения знаний;
технологии разработки приложений.

Мощность и универсальность языка программирования определяет трудоемкость разработки ЭС:

традиционные (в том числе объектно-ориентированные) языки про-грам-мирования типа С, С++ (как правило, они используются не для создания ЭС, а для создания инструментальных средств);
специальные языки программирования (например, язык LISP, ориентированный на обработку списков; язык логического программирования PROLOG; язык рекурсивных функций РЕФАЛ и др.). Их недостатком является слабая приспособленность к объединению с программами, написанными на языках традиционного программирования;
инструментальные средства, содержащие многие, но не все компоненты ЭС. Такое программное обеспечение предназначено для разработчиков, владеющих технологиями программирования умеющих интегрировать разнородные компоненты в программный комплекс.
оболочки ЭС общего назначения, содержащие все программные компоненты, но не имеющие знаний о конкретных предметных средах. Средства этого типа и последующего не требуют от разработчика приложения знания программирования. Примерами являются ЭКО, Leonardo, Nexpert Object, Kappa, EXSYS, GURU, ART, KEE и др. В последнее время все реже употребляется термин «оболочка», его заменяют более широким термином «среда разработки». Если хотят подчеркнуть, что средство используется не только на стадии разработки приложения, но и на стадиях использования и сопровождения, то употребляют термин «полная среда» (complete environment). Для поддержания всего цикла создания и сопровождения программ используются интегрированные инструментальные системы типа Work Bench, например KEATS, VITAL. Основными компонентами системы KEATS являются: ACQUIST - средства фрагментирования текстовых источников знаний, позволяющие разбивать текст или протокол беседы с экспертом на множество взаимосвязанных, аннотированных фрагментов и создавать понятия (концепты); FLIK - язык представления знаний средствами фреймовой модели; GIS - графический интерфейс, используемый для создания гипертекстов и концептуальных моделей, а также для проектирования фреймовых систем; ERI - интерпретатор правил, реализующий процедуры прямого и обратного вывода; TRI — инструмент визуализации логического вывода, демонстрирующий последовательность выполнения правил; Tables - интерфейс манипулирования таблицами, используемыми для хранения знаний в БЗ; CS — язык описания и распространения ограничений; TMS -немонотонная система поддержания истинности. При использовании инструментария данного типа могут возникнуть следующие трудности:

управляющие стратегии, заложенные в механизм вывода, могут не соответствовать методам решения, которые использует эксперт, взаимо-действующий с данной системой, что может привести к неэффективным, а возможно, и неправильным решениям;
способ представления знаний, используемый в инструментарии, мало подходит для описания знаний конкретной предметной области.

5. Проблемно/предметно-ориентированные оболочки и среды (не требуют знания программирования):

проблемно-ориентированные средства, предназначеные для решения задач определенного класса (задачи поиска, управления, планирования, прогно-зирования и др.) и содержат соответствующие этому классу функциональ-ные модули;
предметно-ориентированные средства, использующие знания о типах предметных областей, что сокращает время разработки БЗ.

При использовании оболочек и сред разработчик приложения полностью освобождается от программирования, его основные трудозатраты связаны с формированием базы знаний.

Способы реализации механизма исполняемых утверждений часто называют парадигмами программирования. К основным парадигмам относят следующие:

процедурное программирование;
программирование, ориентированное на данные;
программирование, ориентированное на правила;
объектно-ориентированное программирование.

Парадигма процедурного программирования является самой распро-стра-ненной среди существующих языков программирования (например, С и Паскаль). В процедурной парадигме активная роль отводится процедурам, а не данным; причем любая процедура активизируется вызовом. Подобные способы задания поведения удобны для описаний детерминированной последовательности действий одного процесса или нескольких взаимосвязанных процессов.

При использовании программирования, ориентированного на данные, активная роль принадлежит данным, а не процедурам. Здесь со структурами активных данных связывают некоторые действия (процедуры), которые активизируются тогда, когда осуществляется обращение к этим данным.

В парадигме, ориентированной на правила, поведение определяется множеством правил вида «условие-действие». Условие задает образ данных, при возникновении которого действие правила может быть выполнено. Правила в данной парадигме играют такую же роль, как и операторы в процедурной парадигме. Однако если в процедурной парадигме поведение задается детерминированной последовательностью операторов, не зависящей от значений обрабатываемых данных, то в парадигме, ориентированной на правила, поведение не задается заранее предписанной последовательностью правил, а формируется на основе значений Данных, которые в текущий момент обрабатываются программой. Подход, ориентированный на правила, удобен для описания поведения, гибко и разнообразно реагирующего на большое многообразие состояний данных.

Парадигма объектного программирования в отличие от процедурной парадигмы не разделяет программу на процедуры и данные. Здесь программа организуется вокруг сущностей, называемых объектами, которые включают локальные процедуры (методы) и локальные данные (переменные). Поведение (функционирование) в этой парадигме организуется путем пересылки сообщений между объектами. Объект, получив сообщение, осуществляет его локальную интерпретацию, основываясь на локальных процедурах и данных. Такой подход позволяет описывать сложные системы наиболее естественным образом, что особенно удобно для интегрированных ЭС.

Наличие многих способов представления знаний вызвано стремлением представить различные типы проблемных сред с наибольшей эффективностью. Обычно способ представления знаний в ЭС характеризуют моделью представления знаний. Типичными моделями представления знаний являются правила (продукции), фреймы (или объекты), семантические сети, логические формулы. Инструментальные средства, имеющие в своем составе более одной модели представления знаний, называют гибридными. Большинство современных средств, как правило, использует объектно-ориентированную парадигму, объединенную с парадигмой, ориентированной на правила.

В статических ЭС единственным агентом, изменяющим информацию, является механизм вывода экспертной системы. В динамических ЭС изменение данных происходит не только вследствие функционирования механизма исполняемых утверждений, но также в связи с изменениями окружения задачи, которые моделируются специальной подсистемой или поступают извне.

Механизмы вывода в различных средах могут отличаться способами реализации следующих процедур.

1. Структура процесса получения решения:

построение дерева вывода на основе обучающей выборки (индуктивные методы приобретения знаний) и выбор маршрута на дереве вывода в режиме решения задачи;
компиляция сети вывода из специфических правил в режиме приобретения знаний и поиск решения на сети вывода в режиме решения задачи;
генерация сети вывода и поиск решения в режиме решения задачи, при этом генерация сети вывода осуществляется в ходе выполнения операции сопоставления, определяющей пары «правило — совокупность данных», на которых условия этого правила удовлетворяются;

• в режиме решения задач ЭС осуществляет выработку правдоподобных предположений (при отсутствии достаточной информации для решения); выполнение рассуждений по обоснованию (опровержению) предполо-жений; генерацию альтернативных сетей вывода; поиск решения в сетях вывода.

2. Поиск (выбор) решения:

направление поиска - от данных к цели, от целей к данным, двуна-прав-ленный поиск;
порядок перебора вершин в сети вывода

а) «поиск в ширину», при котором сначала обрабатываются все вер-
шины, непосредственно связанные с текущей обрабатываемой
вершиной G;

б) «поиск в глубину», когда сначала раскрывается одна наиболее

значимая вершина - Gj связанная с текущей G, затем вершина G,
делается текущей, и для нее раскрывается одна наиболее значимая
вершина G2 и т. д.

3. Процесс генерации предположений и сети вывода:

• режим - генерация в режиме приобретения знаний, генерация в

режиме решения задачи;

• полнота генерируемой сети вывода - операция сопоставления, применяемая ко всем правилам и ко всем типам указанных в правилах сущностей в каждом цикле работы механизма вывода; используются различные средства для сокращения количества правил и (или) сущностей, участвующих в операции сопоставления; например, применяется алгоритм сопоставления или используются знания более общего характера (метазнания).

Механизм вывода для динамических проблемных сред дополнительно содержит: планировщик, управляющий деятельностью ЭС в соответствии с приоритетами; средства, гарантирующие получение лучшего решения в условиях ограниченности ресурсов; систему поддержания истинности значений переменных, изменяющихся во времени. В динамических инструментальных средствах могут быть реализованы следующие варианты подсистемы моделирования:

система моделирования отсутствует;
существует система моделирования общего назначения, являющаяся частью инструментальной среды; |

• существует специализированная система моделирования, являющаяся внешней по отношению к программному обеспечению, на котором реализуется ЭС.

В инструментальных системах средства приобретения знаний характеризуются следующими признаками:

Уровень языка приобретения знаний: формальный язык; ограниченный естественный язык; язык пиктограмм и изображений; ЕЯ и язык изображений.
Тип приобретаемых знаний: данные в виде таблиц, содержащих значения входных и выходных атрибутов, по которым индуктивными методами строится дерево вывода; специализированные правила; общие и специализированные правила.
Тип приобретаемых данных: атрибуты и значения; объекты; классы структурированных объектов и их экземпляры, получающие значения атрибутов путем наследования.

ЛЕКЦИЯ 4. Состав и организация данных и знаний в ЭС.

В лекции рассмотрены вопросы отличия знаний от данных, характеристика основных признаков по которым классифицируются знания, а также модели представления знаний в виде продукций, фреймов, семантических сетей.
Отличия знаний от данных. Характерным признаком интеллектуальных систем является наличие знаний, необходимых для решения задач конкретной предметной области. При этом возникает естественный вопрос, что такое знания и чем они отличаются от обычных данных, обрабатываемых ЭВМ. Данными называют информацию фактического характера, описывающую объекты, процессы и явления предметной области, а также их свойства. В процессах компьютерной обработки данные проходят следующие этапы преобразований:

• исходная форма существования данных (результаты наблюдений и измерений, таблицы, справочники, диаграммы, графики и т.д.);

• представление на специальных языках описания данных, предназначенных для ввода и обработки исходных данных в ЭВМ;

4<

46