Понятие прототипной системы

Прототипная система является усеченной версией экспертной системы, спроектированной для проверки правильности кодирования фактов, связей и стратегий рассуждения эксперта. Она также дает возможность инженеру по знаниям привлечь эксперта к активному участию в разработке экспертной системы и, следовательно, к принятию им обязательства приложить все усилия для создания системы в полном объеме.

Объем прототипа – несколько десятков правил, фреймов или примеров. На рис. 16.8 изображены шесть стадий разработки прототипа и минимальный коллектив разработчиков, занятых на каждой из стадий (пять стадий заимствованы из [10]). Приведем краткую характеристику каждой из стадий, хотя эта схема представляет грубое приближение к сложному итеративному процессу.

 

Рис. 16.8. Стадии разработки прототипа ЭС

 

Хотя любое теоретическое разделение бывает часто условным, осознание коллективом разработчиков четких задач каждой стадии представляется целесообразным. Роли разработчиков (эксперт, программист, пользователь и аналитик) являются постоянными на протяжении всей разработки. Совмещение ролей нежелательно.

Сроки приведены условно, так как зависят от квалификации специалистов и особенностей задачи.

Идентификация проблемы

 

Уточняется задача, планируется ход разработки прототипа экспертной системы, определяются:

необходимые ресурсы (время, люди, ЭВМ и т.д.);

источники знаний (книги, дополнительные эксперты, методики);

имеющиеся аналогичные экспертные системы;

цели (распространение опыта, автоматизация рутинных действий и др.);

классы решаемых задач и т.д.

Идентификация проблемы – знакомство и обучение коллектива разработчиков, а также создание неформальной формулировки проблемы.

 

Средняя продолжительность 1 - 2 недели.

Извлечение знаний

Происходит перенос компетентности экспертов на инженеров по знаниям с использованием различных методов:

анализ текстов;

диалоги;

экспертные игры;

лекции;

дискуссии;

интервью;

наблюдение и другие.

Извлечение знаний – получение инженером по знаниям наиболее полного представления о предметной области и способах принятия решения в ней.

 

Средняя продолжительность 1-3 месяца.

Структурирование или концептуализация знаний

 

Выявляется структура полученных знаний о предметной области, т.е. определяются:

терминология;

список основных понятий и их атрибутов;

отношения между понятиями;

структура входной и выходной информации;

стратегия принятия решений;

ограничения стратегий и т.д.

Концептуализация знаний – разработка неформального описания знаний о предметной области в виде графа, таблицы, диаграммы или текста, которое отражает основные концепции и взаимосвязи между понятиями предметной области.

 

Такое описание называется полем знаний. Средняя продолжительность этапа 2-4 недели.

Формализация

 

Строится формализованное представление концепций предметной области на основе выбранного языка представления знаний (ЯПЗ). Традиционно на этом этапе используются:

логические методы (исчисления предикатов I порядка и др.);

продукционные модели (с прямым и обратным выводом);

семантические сети;

фреймы;

объектно-ориентированные языки, основанные на иерархии классов, объектов и др.

Формализация знаний – разработка базы знаний на языке, который, с одной стороны, соответствует структуре поля знаний, а с другой – позволяет реализовать прототип системы на следующей стадии программной реализации.

 

Все чаще на этой стадии используется симбиоз языков представления знаний, например, в системе ОМЕГА [7] – фреймы + семантические сети + полный набор возможностей языка исчисления предикатов. Средняя продолжительность 1 - 2 месяца.

Реализация

 

Создается прототип экспертной системы, включающий базу знаний и остальные блоки, при помощи одного из следующих способов:

программирование на традиционных языках типа Паскаль, Си и др.;

программирование на специализированных языках, применяемых в задачах искусственного интеллекта: LISP [14], FRL [1], SmallTalk [7] и др.;

использование инструментальных средств разработки ЭС типа СПЭИС [3], ПИЭС [11];

использование "пустых" ЭС или "оболочек" типа ЭКСПЕРТ [2], ФИАКР [7] и др.

Реализация - разработка программного комплекса, демонстрирующего жизнеспособность подхода в целом. Чаще всего первый прототип отбрасывается на этапе реализации действующей ЭС.

 

Средняя продолжительность 1 - 2 месяца.

Тестирование

Оценивается и проверяется работа программ прототипа с целью приведения в соответствие с реальными запросами пользователей. Прототип проверяется на:

удобство и адекватность интерфейсов ввода-вывода (характер вопросов в диалоге, связность выводимого текста результата и др.);

эффективность стратегии управления (порядок перебора, использование нечеткого вывода и др.);

качество проверочных примеров;

корректность базы знаний (полнота и непротиворечивость правил).

Тестирование – выявление ошибок в подходе и реализации прототипа и выработка рекомендаций по доводке системы до промышленного варианта.

 

Средняя продолжительность 1 - 2 недели.

ЭТАП 3: РАЗВИТИЕ ПРОТОТИПА ДО ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭС

 

При неудовлетворительном функционировании прототипа эксперт и инженер по знаниям имеют возможность оценить, что именно будет включено в разработку окончательного варианта системы.

Если первоначально выбранные объекты или свойства оказываются неподходящими, их необходимо изменить. Можно сделать оценку общего числа эвристических правил, необходимых для создания окончательного варианта экспертной системы. Иногда [14] при разработке промышленной системы выделяют дополнительные этапы для перехода: демонстрационный прототип - исследовательский прототип – действующий прототип – промышленная система.

Однако чаще реализуется плавный переход от демонстрационного прототипа к промышленной системе, при этом, если программный инструментарий выбран удачно, необязательна перепись другими программными средствами.

Понятие же коммерческой системы в нашей стране входит в понятие промышленный программный продукт, или промышленной ЭС в этой работе (табл. 16.1).

 

Таблица 16.1. Переход от прототипа к промышленной экспертной системе

 

Демонстрационный прототип ЭС	Система решает часть задач, демонстрируя жизнеспособность подхода (несколько десятков правил или понятий)
Исследовательский прототип ЭС	Система решает большинство задач, но не устойчива в работе и не полностью проверена (несколько сотен правил или понятий)
Действующий прототип ЭС	Система надежно решает все задачи на реальных примерах, но для сложной задачи требует много времени и памяти
Промышленная система	Система обеспечивает высокое качество решений при минимизации требуемого времени и памяти; переписывается с использованием более эффективных средств представления знаний
Коммерческая система	Промышленная система, пригодная к продаже, т.е. хорошо документирована и снабжена сервисом

 

Основное на третьем этапе заключается в добавлении большого числа дополнительных эвристик. Эти эвристики обычно увеличивают глубину системы, обеспечивая большее число правил для трудноуловимых аспектов отдельных случаев. В то же время эксперт и инженер по знаниям могут расширить охват системы, включая правила, управляющие дополнительными подзадачами или дополнительными аспектами экспертной задачи (метазнания).

После установления основной структуры ЭС инженер по знаниям приступает к разработке и адаптации интерфейсов, с помощью которых система будет общаться с пользователем и экспертом. Необходимо обратить особое внимание на языковые возможности интерфейсов, их простоту и удобство для управления работой ЭС. Система должна обеспечивать пользователю возможность легким и естественным образом спрашивать непонятное, приостанавливать работу и т.д. В частности, могут оказаться полезными графические представления.

На этом этапе разработки большинство экспертов узнают достаточно о вводе правил и могут сами вводить в систему новые правила. Таким образом начинается процесс, во время которого инженер по знаниям передает право собственности и контроля за системой эксперту для уточнения, детальной разработки и обслуживания.

ЭТАП 4: ОЦЕНКА СИСТЕМЫ

 

После завершения этапа разработки промышленной экспертной системы необходимо провести ее тестирование в отношении критериев эффективности. К тестированию широко привлекаются другие эксперты с целью апробирования работоспособности системы на различных примерах. Экспертные системы оцениваются главным образом для того, чтобы проверить точность работы программы и ее полезность. Оценку можно проводить, исходя из различных критериев, которые сгруппируем следующим образом:

критерии пользователей (понятность и "прозрачность" работы системы, удобство интерфейсов и др.);

критерии приглашенных экспертов (оценка советов-решений, предлагаемых системой, сравнение ее с собственными решениями, оценка подсистемы объяснений и др.);

критерии коллектива разработчиков (эффективность реализации, производительность, время отклика, дизайн, широта охвата предметной области, непротиворечивость БЗ, количество тупиковых ситуаций, когда система не может принять решение, анализ чувствительности программы к незначительным изменениям в представлении знаний, весовых коэффициентах, применяемых в механизмах логического вывода, данных и т.п.).

ЭТАП 5: СТЫКОВКА СИСТЕМЫ

 

На этом этапе осуществляется стыковка экспертной системы с другими программными средствами в среде, в которой она будет работать, и обучение людей, которых она будет обслуживать. Иногда это означает внесение существенных изменений. Такое изменение требует непременного вмешательства инженера по знаниям или какого-либо другого специалиста, который сможет модифицировать систему. Под стыковкой подразумевается также разработка связей между экспертной системой и средой, в которой она действует.

Когда экспертная система уже готова, инженер по знаниям должен убедиться в том, что эксперты, пользователи и персонал знают, как эксплуатировать и обслуживать ее. После передачи им своего опыта в области информационной технологии инженер по знаниям может полностью предоставить ее в распоряжение пользователей.

Для подтверждения полезности системы важно предоставить каждому из пользователей возможность поставить перед ЭС реальные задачи, а затем проследить, как она выполняет эти задачи. Чтобы система была одобрена, необходимо представить ее как помощника, освобождающего пользователей от обременительных задач, а не как средство их замещения.

Стыковка включает обеспечение связи ЭС с существующими базами данных и другими системами на предприятии, а также улучшение системных факторов, зависящих от времени, чтобы можно было обеспечить ее более эффективную работу и улучшить характеристики ее технических средств, если система работает в необычной среде (например, связь с измерительными устройствами).

Пример 16.15. Успешно состыкована со своим окружением система PUFF – экспертная система для диагностики заболеваний легких [10]. После того, как PUFF была закончена и все были удовлетворены ее работой, систему перекодировали с LISPa на Бейсик. Затем систему перенесли на ПК, которая уже работала в больнице. В свою очередь, эта ПК была связана с измерительными приборами. Данные с измерительных приборов сразу поступают в ПК. PUFF обрабатывает эти данные и печатает рекомендации для врача. Врач в принципе не взаимодействует с PUFF. Система полностью интегрирована со своим окружением – она представляет собой интеллектуальное расширение аппарата исследования легких, который врачи давно используют.

Пример 16.16. Другая система, которая хорошо функционирует в своем окружении, – САТ-1 [8] – экспертная система для диагностики неисправностей дизелей локомотивов.

Эта система была разработана также на LISPe, а затем переведена на FORTH, чтобы ее можно было более эффективно использовать в различных локомотивных цехах. Мастер по ремонту запрашивает систему: определить возможные причины неисправности дизеля. Система связана с видеодиском, с помощью которого мастеру дают визуальные объяснения и подсказки относительно более подробных проверок, которые ему нужно сделать.

Кроме того, если оператор не уверен в том, как устранить неисправность, система предоставляет ему обучающие материалы, которые фирма подготовила предварительно, и показывает ему на видеотерминале. Таким образом, мастер по ремонту может с помощью экспертной системы диагностировать проблему, найти тестовую процедуру, которую он должен использовать, получить на дисплее объяснение, как провести тест, или получит инструкции о том, как справиться с возникшей проблемой.

ЭТАП 6: ПОДДЕРЖКА СИСТЕМЫ

 

При перекодировании системы на язык, подобный Си, повышается ее быстродействие и увеличивается переносимость, однако гибкость при этом уменьшается. Это приемлемо лишь в том случае, если система сохраняет все знания проблемной области и это знание не будет изменяться в ближайшем будущем. Однако, если экспертная система создана именно из-за того, что проблемная область изменяется, то необходимо поддерживать систему в инструментальной среде разработки.

Пример 16.17. Удачным примером ЭС, внедренной таким образом, является XCON (R1) – ЭС, которую фирма DEC использует для комплектации ЭВМ семейства VAX. Одна из ключевых проблем, с которой столкнулась фирма DEC, – необходимость постоянного внесения изменений для новых версий оборудования, новых спецификаций и т.д. Для этой цели XCON поддерживается в программной среде OPS5.

 

КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Анализ: морфологический прагматический семантический синтаксический База знаний Данные Знания: глубинные декларативные поверхностные процедурные Инженер по знаниям	Интеллектуальный редактор БЗ Интерфейс пользователя Кибернетика "черного ящика" Лабиринтный поиск Нейрокибернетика Нейрокомпьютер Нейронные сети (нейросети) Перцептрон Подсистема объяснений Поле знаний Представление знаний Продукционная модель Пролог
Рефал Решатель Семантическая сеть Ситуационное управление Транспьютер Фрейм: образец роль ситуация структура сценарий экземпляр Эвристика Эвристическое программирование	Экспертная система: диагностика интерпретация данных мониторинг обучение планирование прогнозирование проектирование ЭС по классификации: автономные гибридные динамические квазидинамические статические

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

 

Перечислите основные направления искусственного интеллекта.

Что такое нейросеть?

Где применяются нейрокомпьютеры?

Что такое "эвристика"?

Что такое "ситуационное управление"?

Из каких этапов состоит анализ текста при переводе?

Перечислите три поколения роботов.

Перечислите уровни обработки данных.

Перечислите уровни обработки знаний.

Что является основой любой интеллектуальной системы?

Чем отличаются глубинные знания от поверхностных?

В чем выражаются процедурные знания?

Что такое продукционная модель?

Какова цель обратного вывода?

Из чего состоит семантическая сеть?

Какие бывают фреймы?

Что такое АКО-связь?

Что такое наследование свойств?

Что входит в состав экспертной системы?

Кто такой инженер по знаниям?

Перечислите классификацию экспертных систем по типу решаемых задач.

Что такое интегрированная экспертная система?

Что такое "стыковка экспертной системы"?

Что происходит при извлечении знаний?

Кто участвует в структурировании знаний?

Какие языки используются при формализации?

Чем отличается исследовательский прототип от действующего?

Как связаны универсальность программного средства и количество работы по созданию готовой экспертной системы?

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Байдун В.В., Бунин А.И. Средства представления и обработки знаний в системе FRL/PS // Всесоюзная конференция по искусственному интеллекту: Тез. докл., т.1. - Минск, 1990.

2. Кирсанов Б.С., Попов Э.В. Отечественные оболочки экспертных систем для больших ЭВМ // Справочник по искусственному интеллекту, т.1. - М.: Радио и связь, 1990.

3. Ковригин О.В., Перфильев К.Г. Гибридные средства представления знаний в системе СПЭИС // Всесоюзная конференция по искусственному интеллекту: Тез.докл. т.2. - Переславль-Залесский, 1988.

4. Николов С.А. идр. Анализ состояния и тенденции развития информатики. Проблемы создания экспертных систем // Исследовательский отчет под ред. С.А. Николова. - София: Интерпрограмма, 1991.

5. Попов Э.В. (ред). Динамические интеллектуальные системы в управлении и моделировании. - М.: МИФИ, 1996.

6. Поспелов Д.А. Искусственный интеллект: фантазия или наука? - М.: Радио и связь, 1986.

7. Справочник по искусственному интеллекту в 3-х т. / Под ред. Попова Э.В. и Поспелова Д.А. - М.: Радио и связь, 1990.

8. Соловьев С.Ю., Соловьева Г.М. Вопросы организации баз знаний в системе ФИАКР // Экспертные системы: состояние и перспективы / Под ред. Д.А. Поспелова. - М.: Наука, 1989.

9. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.

10. Хейес-Рот идр. Построение экспертных систем / Под ред. Ф. Хейес-Рота, Д. Уотермена, Д. Лената. - М.: Мир, 1987.

11. Хорошевский В.Ф. Управление проектами в интеллектуальной системе PIES Workbench // Изв. РАН, серия "Техническая кибернетика". - 1993. -№5.

12. Цейтин Г.С. Программирование на ассоциативных сетях // ЭВМ в проектировании и производстве. - Л.: Машиностроение, 1985. Вып. 2.

13. Шенк Р., Бирнбаум Л., Мей Дж. К интеграции семантики и прагматики. Новое в зарубежной лингвистике: Вып. XXIV. Компьютерная лингвистика. - М.: Прогресс, 1989.

14. Хювянен Р., Сеппянен М. Мир ЛИСПА. В 2-х т. - М.: Мир, 1991.