Експертні системи. Визначення, структура. Класифікація

Експертні системи (ЕС) - це складні програмні комплекси, що акумулюють знання фахівців в конкретних предметних областях і тиражують цей емпірічний досвід для консультацій менш кваліфікованих користувачів.

Узагальнена структура експертної системи представлена на мал. 5.12. Слід врахувати, що реальні ЕС можуть мати складнішу структуру, проте блоки, зображені на малюнку, неодмінно є присутніми у будь-якій дійсно експертній системі, оскільки є стандартом de facto структури сучасної ЕС.

В цілому процес функціонування ЕС можна представити таким чином: користувач, що бажає отримати необхідну інформацію, через призначений для користувача інтерфейс посилає запит до ЕС; вирішувач, користуючись базою знань, генерує і видає користувачеві відповідну рекомендацію, пояснюючи хід своїх міркувань за допомогою підсистеми пояснень.

Мал 5.12 – Структура експертної системи.

Користувач - фахівець предметної області, для якого призначена система. Зазвичай його кваліфікація недостатньо висока, і тому він потребує допомоги і підтримки своєї діяльності з боку ЕС.

Інженер по знаннях - фахівець в області штучного інтелекту, промовець в ролі проміжного буфера між експертом і базою знань. Сининимы: когнитолог, інженер-інтерпретатор, аналітик.

Інтерфейс користувача - комплекс програм, що реалізовують діалог користувача з ЕС як на стадії введення інформації, так і при отриманні результатів.

База знань (БЗ) - ядро ЕС, сукупність знань предметної області, записана на машинний носій у формі, зрозумілій експертові і користувачеві(зазвичай на деякій мові, наближеній до природного). Паралельно такому "людському" представленню існує БЗ у внутрішньому "машинному" уявленні.

Вирішувач - програма, що моделює хід міркувань експерта на підставі знань, наявних у БЗ. Синоніми: дедуктивна машина, машина виведення, блок логічного висновку.

Підсистема пояснень - програма, що дозволяє користувачеві отримати відповіді на питання: "Як була отримана та або інша рекомендація"? і "Чому система прийняла таке рішення"? Відповідь на питання "як" - це трасування усього процесу отримання рішення з вказівкою використаних фрагментів БЗ, тобто усіх кроків ланцюга висновків. Відповідь на питання "чому" - посилання на висновок, що безпосередньо передував отриманому рішенню, тобто відхід на один крок назад. Розвинені підсистеми пояснень підтримують і інші типи питань.

Інтелектуальний редактор БЗ - програма, що представляє інженерові по знаннях можливість створювати БЗ в діалоговому режимі. Включає систему вкладених меню, шаблонів мови представлення знань, підказок ("help" - режим) і інших сервісних засобів, що полегшують роботу з базою.

Класифікація ЕС:

Мал 5.13 – Класифікація ЕС.

 

Інтерпретація даних. Це одне з традиційних завдань для експертних систем. Під інтерпретацією розуміється процес визначення сенсу даних, результати якого мають бути погодженими і коректними. Зазвичай передбачається багатоваріантний аналіз даних.

Діагностика. Під діагностикою розуміється процес співвідношення об'єкту з деяким класом об'єктів і/або виявлення несправності в деякій системі. Несправність - це відхилення від норми. Таке трактування дозволяє з єдиних теоретичних позицій розглядати і несправність устаткування в технічних системах, і захворювання живих організмів, і всілякі природні аномалії. Важливою специфікою є тут необхідність розуміння функціональної структури ("анатомії") діагностуючої системи.

Моніторинг. Основне завдання моніторингу - безперервна інтерпретація даних в реальному масштабі часу і сигналізація про вихід тих або інших параметрів за допустимі межі. Головні проблеми - "пропуск" тривожної ситуації і інверсне завдання "неправдивого" спрацьовування. Складність цих проблем в розмитості симптомів тривожних ситуацій і необхідність обліку тимчасового контексту.

Проектування. Проектування полягає в підготовці специфікацій на створення "об'єктів" із заздалегідь визначеними властивостями. Під, специфікацією розуміється увесь набір необхідних документів - креслення, пояснювальна записка і т. д. Основні проблеми тут - отримання чіткого структурного опису знань про об'єкт і проблема "сліду". Для організації ефективного проектування і в ще більшому ступені того, що перепроектувало необхідно формувати не лише самі проектні рішення, але і мотиви їх прийняття.

Таким чином, в завданнях проектування тісно зв'язуються два основні процеси, виконуваних у рамках відповідної ЕС: процес виведення рішення і процес пояснення.

Прогнозування. Прогнозування дозволяє передбачати наслідки деяких подій або явищ на підставі аналізу наявних даних. Прогнозуючі системи логічно виводять вірогідні наслідки із заданих ситуацій. У прогнозуючій системі зазвичай використовується параметрична динамічна модель, в якій значення параметрів "підганяються" під задану ситуацію. Наслідки, що виводяться з цієї моделі, складають основу для прогнозів з імовірнісними оцінками.

Планування. Під плануванням розуміється знаходження планів дій, що відносяться до об'єктів, здатних виконувати деякі функції. У таких ЕС використовуються моделі поведінки реальних об'єктів з тим, щоб логічно вивести наслідки планованої діяльності.

Навчання. Під навчанням розуміється використання комп'ютера для навчання якійсь дисципліні або предмету. Системи навчання діагностують помилки при вивченні якої-небудь дисципліни за допомогою ЕОМ і підказують правильні рішення. Вони акумулюють знання про гіпотетичного "учня" і його характерні помилки, потім в роботі вони здатні діагностувати слабкості в знаннях навчаних і знаходити відповідні засоби для їх ліквідації.

Крім того, вони планують акт спілкування з учнем залежно від успіхів учня з метою передачі знань.

Управління. Під управлінням розуміється функція організованої системи, що підтримує певний режим діяльності. Такого роду ЕС здійснюють управління поведінкою складних систем відповідно до заданих специфікацій.

Підтримка ухвалення рішень. Підтримка ухвалення рішення - це сукупність процедур, що забезпечує особу, що приймає рішення, необхідною інформацією і рекомендаціями, що полегшують процес ухвалення рішення. Ці ЕС допомагають фахівцям вибрати і/або сформувати потрібну альтернативу серед безлічі виборів при ухваленні відповідальних рішень.

Статичні ЕС розробляються в предметних областях, в яких база знань і дані, що інтерпретуються, не міняються в часі. Вони стабільні.

Квазідинамічні ЕС інтерпретують ситуацію, яка міняється з деяким фіксованим інтервалом часу.

Динамічні ЕС працюють в сполученні з датчиками об'єктів в режимі реального часу з безперервною інтерпретацією даних, що поступають в систему.

Автономні ЕС працюють безпосередньо в режимі консультацій з користувачем для специфічно "експертних" завдань, для вирішення яких не вимагається притягати традиційні методи обробки даних(розрахунки, моделювання і т. д.).

Гібридні ЕС представляють програмний комплекс, що агрегує стандартні пакети застосовних программ (наприклад, математичну статистику, лінійне програмування або системи управління базами даних) і засобу маніпулювання знаннями.