Экспертные системы

Экспертная система
Компьютенрная программа, способная частично заменить специалиста-эксперта в разрешении проблемной ситуации.

Назначение ЭС
ЭС предназначены для так называемых неформализованных задач, таких как:
интерпретация, предсказание, диагностика, планирование, конструирование, контроль, отладка, инструктаж, управление

Неформализованные задачи обычно обладают следующими особенностями:
ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью исходных данных;
ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью знаний о проблемной области и решаемой задаче;
большой размерностью пространства решения, т.е. перебор при поиске решения весьма велик;
динамически изменяющимися данными и знаниями.

Особенность ЭС
Экспертные системы и системы искусственного интеллекта отличаются от систем обработки данных тем, что в них в основном используются символьный (а не числовой) способ представления, символьный вывод и эвристический поиск решения (а не исполнение известного алгоритма).

Особенности ЭС
Решения экспертных систем обладают "прозрачностью", т.е. могут быть объяснены пользователю на качественном уровне.
Это качество экспертных систем обеспечивается их способностью рассуждать о своих знаниях и умозаключениях.
Экспертные системы способны пополнять свои знания в ходе взаимодействия с экспертом.

Структура экспертных систем
решатель (интерпретатор);
рабочая память (РП), называемая также базой данных (БД);
база знаний (БЗ);
компоненты приобретения знаний;
объяснительный компонент;
диалоговый компонент.

Структура экспертных систем

Структура экспертных систем
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.

Структура экспертных систем
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.

Структура экспертных систем
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.

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

Структура экспертных систем
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.

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

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

Роли создателей ЭС
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.

Роли создателей ЭС
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.

Режимы работы ЭС
режим приобретения знаний
режим решения задачи (называемый также режимом консультации или режимом использования ЭС

Режимы работы 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.

Режимы работы ЭС
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).

Особенности работы ЭС
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:
"Почему система задает тот или иной вопрос?", "как ответ, собираемый системой, получен?".

Необходимые условия создания ЭС
1) существуют эксперты в данной области, которые решают задачу значительно лучше, чем начинающие специалисты;
2) эксперты сходятся в оценке предлагаемого решения, иначе нельзя будет оценить качество разработанной ЭС;
3) эксперты способны вербализовать (выразить на естественном языке) и объяснить используемые ими методы, в противном случае трудно рассчитывать на то, что знания экспертов будут "извлечены" и вложены в ЭС;
4) решение задачи требует только рассуждений, а не действий;

Необходимые условия создания ЭС
5) задача не должна быть слишком трудной (т.е. ее решение должно занимать у эксперта несколько часов или дней, а не недель);
6) задача хотя и не должна быть выражена в формальном виде, но все же должна относиться к достаточно "понятной" и структурированной области, т.е. должны быть выделены основные понятия, отношения и известные (хотя бы эксперту) способы получения решения задачи;
7) решение задачи не должно в значительной степени использовать "здравый смысл" (т.е. широкий спектр общих сведений о мире и о способе его функционирования, которые знает и умеет использовать любой нормальный человек), так как подобные знания пока не удается (в достаточном количестве) вложить в системы искусственного интеллекта.

Требования к задачам решаемым ЭС
1) задача может быть естественным образом решена посредством манипуляции с символами ;
2) задача должна иметь эвристическую, а не алгоритмическую природу, т.е. ее решение должно требовать применения эвристических правил.
3) задача должна быть достаточно сложна, чтобы оправдать затраты на разработку ЭС. Однако она не должна быть чрезмерно сложной (решение занимает у эксперта часы, а не недели), чтобы ЭС могла ее решать;
4) задача должна быть достаточно узкой, чтобы решаться методами ЭС, и практически значимой.

Представление знаний в экспертных системах
"ЧТО ПРЕДСТАВЛЯТЬ?"
"КАК ПРЕДСТАВЛЯТЬ?"

Знания в ЭС
знания о процессе решения задачи (т.е. управляющие знания), используемые интерпретатором (решателем);
знания о языке общения и способах организации диалога, используемые лингвистическим процессором (диалоговым компонентом);
знания о способах представления и модификации знаний, используемые компонентом приобретения знаний;
поддерживающие структурные и управляющие знания, используемые объяснительным компонентом.

Необходимо решить
какие задачи (из общего набора задач) и с какими данными хочет решать пользователь;
каковы предпочтительные способы и методы решения;
при каких ограничениях на количество результатов и способы их получения должна быть решена задача;
каковы требования к языку общения и организации диалога;
какова степень общности (конкретности) знаний о проблемной области, доступная пользователю;
каковы цели пользователей.