Экспертная система

Общие сведения

День сегодня с утра не задался. Вы только что установили новую версию текстового редактора, к которому давно привыкли, но после щелчка на его ярлыке компьютер реагирует совсем не так, как хотелось бы, — выводится сообщение вроде этого:

Call to Undefined Link (Вызов неопределенной связи).

Как и большинство сообщений об ошибках, это помогает не больше, чем предсказания судьбы по состоянию Марса. Вы применяете крайнюю меру — удаляете целый каталог и переинсталлируете программу, но результат от этого не меняется. Вы начинаете менять настройки в разных файлах инициализации, но это тоже не помогает.

Наконец, устав от безнадежных попыток, вы набираете номер сервисной службы поддержки пользователей. И только после этого фортуна поворачивается к вам лицом — на помощь приходит человек, который знает, о чем говорит. Он советует вам выбросить с полдюжины устаревших DLL-модулей в системном каталоге и вновь переустановить программу. Последовав его совету, вы уже через десяток минут можете нормально работать, и подскочившее недавно кровяное давление вновь возвращается к норме.

Какой бы уровень экспертного анализа не требовался в данной области, ясно, что специалист из сервисной службы способен его сделать, а вы — нет. Хотя в ящике стола у вас лежит диплом доктора философии по специальности "Информатика", и вы, возможно, прекрасно программируете задачи в своей области, но, не имея определенного опыта и подготовки, проблему устранения неисправности решить не смогли. Таким образом, способность выполнить экспертный анализ — это не только вопрос наличия определенных знаний и уровня квалификации. Для этого нужно обладать и очень специфическими навыками и умением разобраться в конкретной ситуации в данной предметной области. Таким образом, быть экспертом и иметь общее образование — это далеко не одно и то же.

Смысл экспертного анализа

Задумайтесь над таким вопросом: "При выполнении каких условий компьютерную программу можно назвать экспертом?"

• Вполне логично потребовать, чтобы такая программа обладала знаниями. Просто способность выполнять некоторый алгоритм, например производить анализ списка элементов на наличие какого-либо свойства, явно не отвечает этому требованию. Это все равно, что дать первому случайному прохожему список вопросов и ответов и ожидать от него успешного выполнения поиска и устранения неисправностей в системах определенного типа. Раньше или позже, но он обязательно столкнется с ситуацией, не предусмотренной в том списке, которым его снабдили.
• Знания, которыми обладает программа, должны быть сконцентрированы на определенную предметную область. Случайный набор имен, дат и мест событий, сентенций из классиков и т.п. — это отнюдь не те знания, которые могут послужить основой для программы, претендующей на способность выполнить экспертный анализ. Знания предполагают определенную организацию и интеграцию — то есть отдельные сведения должны соотноситься друг с другом и образовывать нечто вроде цепочки, в которой одно звено "тащит" за собой следующее.
• И, наконец, из этих знаний должно непосредственно вытекать решение проблем. Просто продемонстрировать свои знания, касающиеся, например, технического обслуживания компьютеров, — это далеко не то же самое, что привести компьютер в "чувство". Точно так же, получить доступ к оперативной документации — это совсем не то же самое, что заполучить в свое распоряжение специалиста (или программу), способного справиться с возникшими проблемами.

Теперь попробуем подытожить эти рассуждения в следующем формальном определении экспертной системы.

Экспертная система — это программа для компьютера, которая оперирует со знаниями в определенной предметной области с целью выработки рекомендаций или решения проблем.

Экспертная система может полностью взять на себя функции, выполнение которых обычно требует привлечения опыта человека-специалиста, или играть роль ассистента для человека, принимающего решение. Другими словами, система (техническая или социальная), требующая принятия решения, может получить его непосредственно от программы или через промежуточное звено — человека, который общается с программой. Тот, кто принимает решение, может быть экспертом со своими собственными правами, и в этом случае программа может "оправдать" свое существование, повышая эффективность его работы. Альтернативный вариант — человек, работающий в сотрудничестве с такой программой, может добиться с ее помощью результатов более высокого качества. Вообще говоря, правильное распределение функций между человеком и машиной является одним из ключевых условий высокой эффективности внедрения экспертных систем.

Знания, которыми обладает специалист в какой-либо области (дисциплине), можно разделить на формализованные (точные) и неформализованные (неточные). Формализованные знания формиру­ются в книгах и руководствах в виде общих и строгих суждений (законов, формул, моделей, алгоритмов и т.п.), отражающих универ­сальные знания. Неформализованные знания, как правило, не попада­ют в книги и руководства в связи с их конкретностью, субъектив­ностью и приблизительностью. Знания этого рода являются резуль­татом обобщения многолетнего опыта работы и интуиции специали­стов. Они обычно представляют многообразие эмпирических (эври­стических) приемов и правил.
В зависимости от того, какие знания преобладают в той или иной области (дисциплине), ее относят к формализованным (если преобладают точные знания) или к неформализованным (если пре­обладают неточные знания) описательным областям. Задачи, ре­шаемые на основе точных знаний, называют формализованными, а задачи, решаемые с помощью неточных знаний, — неформализо­ванными. (Речь идет не о неформализуемых, а о неформализованных задачах, т.е. о задачах, которые, возможно, и формализуемы, но эта формализация пока неизвестна.)

Традиционное программирование в качестве основы для разра­ботки программы использует алгоритм, т.е. формализованное зна­чение. Поэтому до недавнего времени считалось, что ЭВМ не приспособлены для решения неформализованных задач. Расширение сферы использования ЭВМ показало, что неформализованные задачи составляют очень важный класс задач, вероятно, значительно больший, чем класс формализованных задач. Неумение решать неформализованные задачи сдерживает внедрение ЭВМ в описатель­ные науки. По мнению авторитетов, основной задачей информати­ки является внедрение ее методов в описательные науки и дисцип­лины. На основании этого можно утверждать, что исследования в области ЭС занимают значительное место в информатике.

К неформализованным задачам относятся те, которые обладают одной или несколькими из следующих особенностей:

o   алгоритмическое решение задачи неизвестно (хотя, возможно, и существует) или не может быть использовано из-за ограниченности ресурсов ЭВМ (времени, памяти);

o    задача не может быть определена в числовой форме (требуется символьное представление);

o    цели задачи не могут быть выражены в терминах точно определенной целевой функции.

Как правило, неформализованные задачи обладают неполно­той, ошибочностью, неоднозначностью и (или) противоречивостью знаний (как данных, так и используемых правил преобразования).

История

Наиболее  известные ЭС, разработанные в 60-70-х годах, стали в своих областях уже классическими. По происхождению, предметным областям и по преемственности применяемых идей, методов и инструментальных программных средств их можно разделить на несколько семейств.

1. META-DENDRAL.Система DENDRAL позволяет определить наиболее вероятную структуру химического соединения по экспериментальным данным (масс- спектрографии, данным ядерном магнитного резонанса и др.).M-D автоматизирует процесс приобретения знаний для DENDRAL. Она генерирует правила построения фрагментов химических структур.

2. MYCIN-EMYCIN-TEIREIAS-PUFF-NEOMYCIN. Это семейство медицинских ЭС и сервисных программных средств для их построения.

3. PROSPECTOR-KAS. PROSPECTOR - предназначена для поиска (предсказания) месторождений на основе геологических анализов. KAS- система приобретения знаний для  PROSPECTOR.

4. CASNET-EXPERT.  Система CASNET- медицинская ЭС для диагностики выдачи рекомендаций по лечению глазных заболеваний. На ее основе разработан язык инженерии знаний EXPERT, с помощью которой создан ряд других медицинских диагностических систем.

5. HEARSAY-HEARSAY-2-HEARSAY-3-AGE. Первые две системы этого ряда являются развитием интеллектуальной системы распознавания слитной человеческой речи, слова которой берутся из заданного словаря. Эти системы отличаются оригинальной структурой, основанной на использовании доски объявлений- глобальной базы данных, содержащей текущие результаты работы системы. В дальнейшем на основе этих систем были созданы инструментальные системы HEARSAY-3 и AGE (Attempt to Generalize- попытка общения) для построения ЭС.

6. Системы AM (Artifical Mathematician - искусственный математик) и EURISCO были разработаны в Станфордском университете доктором Д. Ленатом для исследовательских и учебных целей. Ленат считает, что эффективность любой ЭС определяется закладываемыми в нее знаниями. По его мнению, чтобы система была способна к обучению, в нее должно быть введено около миллиона сведений общего характера. Это примерно соответствует объему информации, каким располагает четырехлетний ребенок со средними способностями. Ленат также считает, что путь создания узкоспециализированных ЭС с уменьшенным объемом знаний ведет к тупику.

В систему AM первоначально было заложено около 100 правил вывода и более 200 эвристических алгоритмов обучения, позволяющих строить произвольные математические теории и представления. Сначала результаты работы системы были весьма многообещающими. Она могла сформулировать понятия натурального ряда и простых чисел. Кроме того, она синтезировала вариант гипотезы Гольдбаха о том, что каждое четное число, большее двух, можно представить в виде суммы двух простых чисел. До сих пор не удалось ни найти доказательства данной гипотезы, ни опровергнуть ее. Дальнейшее развитие системы замедлилось и было отмечено, что несмотря на проявленные на первых порах "математические способности”, система не может синтезировать новых эвристических правил, т.е. ее возможности определяются только теми эвристиками, что были в нее изначально заложены.

 При разработке системы EURISCO была предпринята попытка преодолеть указанные недостатки системы AM. Как и в начале эксплуатации AM, первые результаты, полученные с помощью EURISCO, были эффективными. Сообщалось, что система EURISCO может успешно участвовать в очень сложных играх. С ее помощью в военно-стратегической игре, проводимой ВМФ США, была разработана стратегия, содержащая ряд оригинальных тактических ходов. Согласно одному из них, например предлагалось взрывать свои корабли, получившие повреждения. При этом корабли, оставшиеся неповрежденными, получает необходимое пространство для выполнения маневра.

Однако через некоторое время обнаружилось, что система не всегда корректно переопределяет первоначально заложенные в нее правила. Так, например, она стала нарушать строгое предписание обращаться  к программистам с вопросами только в определенное время суток. Т.о., система EURISCO, так же как и ее предшественница, остановилась в своем развитии, достигнув предела, определенного в конечном счете ее разработчиком.

С 1990 года доктор Ленат во главе исследовательской группы занят кодированием и вводом нескольких сот тысяч элементов знаний, необходимых, по его мнению, для создания "интеллектуальной” системы. Этот проект назван Cyc ("Цик”, от английского слова enciklopaedia).

Область применения и задачи

Экспертные системы не отвергают и не заменяют традиционно­го подхода к программированию, они отличаются от традиционных программ тем, что ориентированы на решение неформализованных задач и обладают следующими особенностями:

• алгоритм решения не известен заранее, а строится самой ЭС с помощью символических рассуждений, базирующихся на эври­стических приемах;
• ясность полученных решений, т.е. система «осознает» в терминах пользователя, как она получила решение;
• способность анализа и объяснения своих действий и знаний;
• способность приобретения новых знаний от пользовате­ля-эксперта, не знающего программирования, и изменения в соот­ветствии с ними — своего поведения (открытая система);
• обеспечение «дружественного», как правило, естественноязыкового (ЕЯ) интерфейса с пользователем.

 

Области применения систем, основанных на знаниях, могут быть сгруппированы в несколько основных классов: медицинская диагностика, контроль и управление, диагностика неисправностей в механических и электрических устройствах, обучение.

Медицинская диагностика

Диагностические системы используются для установления связи между нарушениями деятельности организма и их возможными причинами. Наиболее известна диагностическая система MYCIN, которая предназначена для диагностики и наблюдения за состоянием больного при менингите и бактериальных инфекциях. Ее первая версия была разработана в Стенфордском университете в середине 70-х годов. В настоящее время эта система ставит диагноз на уровне врача-специалиста. Она имеет расширенную базу знаний, благодаря чему может применяться и в других областях медицины.

Прогнозирование

Прогнозирующие системы предсказывают возможные результаты или события на основе данных о текущем состоянии объекта. Программная система "Завоевание Уолл-стрита” может проанализировать конъюнктуру рынка и с помощью статистических методов алгоритмов разработать для вас план капиталовложений на перспективу. Она не относится к числу систем, основанных на знаниях, поскольку использует процедуры и алгоритмы традиционного программирования. Хотя пока еще отсутствуют ЭС, которые способны за счет своей информации о конъюнктуре рынка помочь вам увеличить капитал, прогнозирующие системы уже сегодня могут предсказывать погоду, урожайность и поток пассажиров. Даже на персональном компьютере, установив простую систему, основанную на знаниях, вы можете получить местный прогноз погоды.

Планирование

Планирующие системы предназначены для достижения конкретных целей при решении задач с большим числом переменных. Дамасская фирма Informat впервые в торговой практике предоставляет в распоряжении покупателей 13 рабочих станций, установленных в холле своего офиса, на которых проводятся бесплатные 15-минутные консультации с целью помочь покупателям выбрать компьютер, в наибольшей степени отвечающий их потребностям и бюджету. Кроме того, компания  Boeing применяет ЭС для проектирования космических станций, а также для выявления причин отказов самолетных двигателей и ремонта вертолетов. Экспертная система  XCON, созданная фирмой DEC, служит для определения или изменения конфигурации компьютерных систем типа VAX и в соответствии с требованиями покупателя. Фирма DEC разрабатывает более мощную систему XSEL, включающую базу знаний системы XCON, с целью оказания помощи покупателям при выборе вычислительных систем с нужной конфигурацией. В отличие от XCON система XSEL является интерактивной.

Интерпретация

Интерпретирующие системы обладают способностью получать определенные заключения на основе результатов наблюдения. Система PROSPECTOR, одна из наиболее известных систем интерпретирующего типа, объединяет знания девяти экспертов. Используя сочетания девяти методов экспертизы, системе удалось обнаружить залежи руды стоимостью в миллион долларов, причем наличие этих залежей не предполагал ни один из девяти экспертов. Другая интерпретирующая система- HASP/SIAP. Она определяет местоположение и типы судов в тихом океане по данным акустических систем слежения.

Контроль и управление

Системы, основанные на знаниях, могут применятся в качестве интеллектуальных систем контроля и принимать решения, анализируя данные, поступающие от нескольких  источников. Такие системы уже работают на атомных электростанциях, управляют воздушным движением и осуществляют медицинский контроль. Они могут быть также полезны при регулировании финансовой  деятельности предприятия и оказывать помощь при выработке решений в критических ситуациях.

Диагностика неисправностей в механических и электрических устройствах

В этой сфере системы, основанные на знаниях, незаменимы как при ремонте механических и электрических машин (автомобилей, дизельных локомотивов и т.д.), так и  при устранении неисправностей и ошибок в аппаратном и программном обеспечении  компьютеров.

Обучение

Системы, основанные на знаниях, могут входить составной частью в компьютерные системы обучения. Система получает информацию о деятельности некоторого объекта (например, студента) и анализирует его поведение. База знаний изменяется в соответствии с поведением объекта. Примером этого обучения может служить компьютерная игра, сложность которой увеличивается по мере возрастания степени квалификации играющего. Одной из наиболее интересных обучающих ЭС является разработанная Д.Ленатом система EURISCO, которая использует простые эвристики. Эта система была опробована в игре Т. Тревевеллера, имитирующая боевые действия. Суть игры состоит в том, чтобы определить состав флотилии, способной нанести поражение в условиях неизменяемого множества правил. Система EURISCO включила в состав флотилии небольшие,  способные провести быструю атаку корабли  и одно очень маленькое скоростное судно и постоянно выигрывала в течение трех лет, несмотря на то, что в стремлении воспрепятствовать  этому правила игры меняли каждый год.    

 Большинство  ЭС включают знания, по содержанию которых их можно отнести одновременно к нескольким типам. Например, обучающая система может также обладать знаниями, позволяющими выполнять диагностику и планирование. Она определяет способности обучаемого по основным направлениям курса, а затем с учетом полученных данных составляет учебный план. Управляющая система может применяться для целей контроля, диагностики, прогнозирования и планирования. Система, обеспечивающая сохранность жилища, может следить за окружающей обстановкой, распознавать происходящие события (например, открылось окно), выдавать прогноз (вор-взломщик намеревается проникнуть в дом) и составлять план действий (вызвать полицию).

Ограничения в применение экспертных систем

Даже лучшие из существующих ЭС, которые эффективно функционируют как на больших, так и на мини-ЭВМ, имеют определенные ограничения по сравнению с человеком-экспертом.

1. Большинство ЭС не вполне пригодны для применения конечным пользователем. Если вы не имеете некоторого опыта работы с такими системами, то у вас могут возникнуть серьезные трудности. Многие системы оказываются доступными только тем экспертам, которые создавали из базы знаний.
2. Вопросно-ответный режим, обычно принятый в таких системах, замедляет получение решений. Например, без системы MYCIN врач может (а часто и должен) принять решение значительно быстрее, чем с ее помощью.
3. Навыки системы не возрастают после сеанса экспертизы.
4. Все еще остается проблемой приведение знаний, полученных от эксперта, к виду, обеспечивающему их эффективную машинную реализацию.
5. ЭС не способны обучаться, не обладают здравым смыслом. Домашние кошки способны обучаться даже без специальной дрессировки, ребенок в состоянии легко уяснить, что он станет мокрым, если опрокинет на себя стакан с водой, однако если начать выливать кофе на клавиатуру компьютера, у него не хватит "ума” отодвинуть ее.
6. ЭС неприменимы в больших предметных областях. Их использование ограничивается предметными областями, в которых эксперт может принять решение за время от нескольких минут до нескольких часов.
7. В тех областях, где отсутствуют эксперты (например, в астрологии), применение ЭС оказывается невозможным.
8. Имеет смысл привлекать ЭС только для решения когнитивных задач. Теннис, езда на велосипеде не могут являться предметной областью для ЭС, однако такие системы можно использовать при формировании футбольных команд.
9. Человек-эксперт при решении задач обычно обращается к своей интуиции или здравому смыслу, если отсутствуют формальные методы решения или аналоги таких задач.
10. Системы, основанные на знаниях, оказываются неэффективными при необходимости проведения скрупулезного анализа, когда число "решений” зависит от тысяч различных возможностей и многих переменных, которые изменяются во времени. В таких случаях лучше использовать базы данных с интерфейсом на естественном языке.

Классификация

Экспертные системы как любой сложный объект можно опре­делить только совокупностью характеристик. Выделим следующие характеристики ЭС:

·        Назначение

Назначение определяется следующей совокупностью пара­метров:

o   цель создания ЭС — для обучения специалистов, для реше­ния задач, для автоматизации рутинных работ, для тиражирования знаний экспертов и т.п.;

o   основной пользователь — не специалист в области экспертизы, специалист, учащийся.

·        Проблемная область

Проблемная область может быть определена совокупностью параметров:

o   С точки зрения пользователя, предметную область можно ха­рактеризовать описанием области в терминах пользователя, вклю­чающим наименование области, перечень и взаимоотношение по­добластей и т.п., а задачи, решаемые существующими ЭС, — их ти­пом.

Обычно выделяют следующие типы задач:
— интерпретация символов или сигналов — составление смы­слового описания по входным данным;
— предсказание — определение последствий наблюдаемых си­туаций;
— диагностика — определение состояния неисправностей, забо­леваний по признакам (симптомам);
— конструирование — разработка объекта с заданными свойст­вами при соблюдении установленных ограничений;
— планирование — определение последовательности действий, приводящих к желаемому состоянию объекта;
— слежение — наблюдение за изменяющимся состоянием объек­та и сравнение его показателей с установленными или желаемыми;
— управление — воздействие на объект для достижения желае­мого поведения.

o   С точки зрения разработчика целесообразно выделять статиче­ские и динамические предметные области.

Предметная область на­зывается статической, если описывающие ее исходные данные не изменяются во времени (точнее рассматриваются как не изменяю­щиеся за время решения задачи). Статичность области означает не­изменность описывающих ее исходных данных. Если исходные данные, описывающие предметную область, изменяются за время решения задачи, то предметную область называют динамической.

·        Глубина анализа проблемной области

По степени сложности структуры ЭС делят на

o   поверхностные

o   глубинные. Поверхностные ЭС представляют знания об области экспертизы в виде правил (условие -> действие). Глубинные ЭС, кроме возможностей поверхностных систем, обладают способностью при возникновении неизвестной ситуации определять с помощью не­которых общих принципов, справедливых для области экспертизы, какие действия следует выполнять.

·        Тип используемых методов и знаний.

По типу используемых методов и знаний ЭС делят на

o   тради­ционные

Традиционные ЭС используют в основном неформализованные методы инженерных знаний и неформализо­ванные знания, полученные от экспертов.

o   гибридные

Гибридные ЭС использу­ют и методы инженерии знаний, и формализованные методы, а также данные традиционного программирования и математики.
Сейчас говорят о трех поколениях ЭС. К первому поколению следует относить статические поверхностные ЭС, ко второ­му — статические глубинные ЭС (иногда ко второму поколению относят гибридные ЭС), а к третьему — динамические ЭС (веро­ятно, они, как правило, будут глубинными и гибридными).

·        Класс системы

В последнее время выделяются два больших класса ЭС (су­щественно отличающихся по технологии их проектирования), ко­торые условно можно назвать простыми и сложными ЭС. Простая ЭС может быть охарактеризована следующими основными показа­телями: поверхностная ЭС; традиционная ЭС (реже гибридная); выполненная на персональной ЭВМ. Сложная ЭС может быть оха­рактеризована следующими показателями: глубинная ЭС; гибрид­ная ЭС: выполненная либо на символьной ЭВМ, либо на мощной универсальной ЭВМ, либо на интеллектуальной рабочей станции.

·        Стадия существования

·        Инструментальные средства

На стадии эксплуатации ЭС используются совместно с CAE-system и обеспечивают интеллектуальную поддержку техниче­ского обслуживания сложных систем.

В заключение следует отметить, что единую классификацию всех существующих на сегодня ИтС для ЭС провести достаточно сложно, так как, с одной стороны, можно выделить большое коли­чество специфических характеристик ИтС, а с другой стороны, у разных авторов существуют значительные различия в терминоло­гии обозначения одних и тех же вещей.