Експертні системи

Експертні системи

ЕС призначені, головним чином, для вирішення практичних завдань, що виникають у слабо структурованої і важко формалізується предметної області. ЕС були першими системами, які привернули увагу потенційних споживачів продукції штучного інтелекту. З ЕС пов'язані деякі поширені помилки. Помилка перша: ЕС будуть робити не більше (а скоріше навіть менше) того, чим може експерт, який створив цю систему. Для спростування цього постулату можна побудувати самонавчальну ЕС в області, у якій взагалі немає експертів, або об'єднати в одній ЕС знання декількох експертів, і отримати в результаті систему, яка може те, чого ні один з її творців не може. Помилка друга: ЕС ніколи не замінить людини-експерта. Вже замінює, інакше навіщо б їх створювали?

Експертні системи, методика побудови

В даний час склалася певна технологія розробки ЕС, яка включає наступні шість етапів: ідентифікація, концептуалізація, формалізація, виконання, тестування та дослідна експлуатація. 

Етап ідентифікації

Етап ідентифікації пов'язаний, перш за все, з осмисленням тих завдань, які належить вирішити майбутньої ЕС, і формуванням вимог до неї. Результатом даного етапу є відповідь на питання, що треба зробити і які ресурси необхідно задіяти (ідентифікація завдання, визначення учасників процесу проектування та їх ролі, виявлення ресурсів і цілей).

Зазвичай в розробці ЕС беруть участь не менше трьох-чотирьох чоловік - один експерт, один або два інженери по знаннях і один програміст, який притягається для модифікації і узгодження інструментальних засобів. Також до процесу розробки ЕС можуть в міру необхідності залучатися й інші учасники. Наприклад, інженер по знаннях може запросити інших експертів, щоб переконатися у правильності свого розуміння основного експерта, показності тестів, що демонструють особливості розглянутої задачі, збігу поглядів різних експертів на якість пропонованих рішень. Крім того, для складних систем вважається за доцільне залучати до основного циклу розробки кілька експертів. Однак у цьому випадку, як правило, потрібно, щоб один з експертів відповідав за несуперечність знань, що повідомляються колективом експертів. Ідентифікація завдання полягає у складанні неформального (вербального) опису, в якому зазначаються: загальні характеристики завдання; підзадачі, що виділяються всередині даної задачі; ключові поняття (об'єкти), їх вхідні (вихідні) дані; можливий вид рішення, а також знання, пов'язані з розв'язуваної завданню. У процесі ідентифікації завдання інженер по знаннях та експерт працюють у тісному контакті. Початкове неформальний опис завдання експертом використовується інженером по знаннях для уточнення термінів і ключових понять. Експерт коригує опис завдання, пояснює, як вирішувати її і які міркування лежать в основі того чи іншого рішення.

      Після декількох циклів, уточнюючих опис, експерт і інженер по знаннях отримують остаточне неформальний опис завдання. При проектуванні ЕС типовими ресурсами є джерела знань, час розробки, обчислювальні засоби і обсяг фінансування. Для експерта джерелами знань служать його попередній досвід з вирішення задачі, книги, відомі приклади розв'язання задач, а для інженера по знаннях - досвід у вирішенні аналогічних завдань, методи представлення знань і маніпулювання ними, програмні інструментальні засоби. При визначенні часу розробки зазвичай мається на увазі, що терміни розробки і впровадження ЕС становлять, як правило, не менше року (при трудомісткості 5 чол.-лет). Визначення обсягу фінансування робить істотний вплив на процес розробки, так як, наприклад, при недостатньому фінансуванні перевага може бути віддано не розробці оригінальної нової системи, а адаптації існуючої. При ідентифікації цілей важливо відрізняти мети, заради яких створюється ЕС, від завдань, які вона повинна вирішувати. Прикладами можливих цілей є: формалізація неформальних знань експертів; поліпшення якості рішень, прийнятих експертом; автоматизація рутинних аспектів роботи експерта (користувача); тиражування знань експерта. 

                              Етап концептуалізації

     
На даному етапі проводиться змістовний аналіз проблемної області, виявляються використовувані поняття і їх взаємозв'язки, визначаються методи розв'язання задач. Цей етап завершується створенням моделі предметної області (ПО), що включає основні концепти і відносини. На етапі концептуалізації визначаються наступні особливості завдання: типи доступних даних; вихідні і виведені дані, підзадачі загальної задачі; застосовувані стратегії та гіпотези; види взаємозв'язків між об'єктами ПЗ, типи використовуваних відносин (ієрархія, причина - наслідок, частина - ціле і т.п. ); процеси, які застосовуються в ході рішення; склад знань, які використовуються при вирішенні завдання; типи обмежень, накладених на процеси, які застосовані в ході рішення; склад знань, використовуваних для обгрунтування рішень. Існує два підходи до процесу побудови моделі предметної області, яка є метою розробників ЕС на етапі концептуалізації. Прізнаковий або атрибутивний підхід припускає наявність отриманої від експертів інформації у вигляді трійок об'єкт-атрибут-значення атрибуту, а також наявність навчальної інформації. Цей підхід розвивається в рамках напрямку, що одержав назву "формування знань" або "машинне навчання" (machine learning). Другий підхід, званий структурним (або когнітивним), здійснюється шляхом виділення елементів предметної області, їх взаємозв'язків і семантичних відносин. Для атрибутивного підходу характерна наявність найбільш повної інформації про предметну область: про об'єкти, їх атрибутах і про значення атрибутів. Крім того, істотним моментом є використання додаткової навчальної інформації, яка задається групуванням об'єктів в класи з того чи іншого змістовному критерію. Трійки об'єкт-атрибут-значення атрибута можуть бути отримані за допомогою так званого методу рекласифікації, який заснований на припущенні що завдання є об'єктно-орієнтованої та об'єкти завдання добре відомі експерту. Ідея методу полягає в тому, що конструюються правила (комбінації значень атрибутів), що дозволяють відрізнити один об'єкт від іншого. Навчальна інформація може бути задана на підставі прецедентів правильних експертних висновків, наприклад, за допомогою методу вилучення знань, що отримав назву "аналіз протоколів думок вголос". При наявності навчальної інформації для формування моделі предметної області на етапі концептуалізації можна використовувати весь арсенал методів, що розвиваються в рамках задачі розпізнавання образів. Таким чином, незважаючи на те, що тут атрибутивному підходу не приділено багато місця, він є одним із споживачів всього того, що було зазначено в лекції, присвяченій розпізнаванню образів і автоматичного групування даних. Структурний підхід до побудови моделі предметної області передбачає виділення наступних когнітивних елементів знань: 1. Поняття. 2. Взаємозв'язку. 3. Метапонятія. 4. Семантичні відносини. Кошти, виділені поняття предметної області повинні утворювати систему, під якою розуміється сукупність понять, що володіє наступними властивостями: унікальністю (відсутністю надмірності); повнотою (досить повним описом різних процесів, фактів, явищ і т.д. предметної області); достовірністю (валідність - відповідністю виділених одиниць смислової інформації їх реальним найменувань) і непротиворечивостью (відсутністю омонімії). При побудові системи понять за допомогою "методу локального вистави" експерта просять розбити задачу на підзадачі для перерахування цільових станів і опису загальних категорій мети. Далі для кожного розбиття (локального подання) експерт формулює інформаційні факти і дає їм чітке найменування (назва). Вважається, що для успішного вирішення завдання побудови моделі предметної області кількість таких інформаційних фактів у кожному локальному поданні, якими людина здатна одночасно маніпулювати, має бути приблизно дорівнює семи. "Метод обчислення коефіцієнта використання" заснований на наступній гіпотезі. Елемент даних (або інформаційний факт) може бути поняттям, якщо він: * Використовується у великому числі підзадач; * Використовується з великим числом інших елементів даних; * Рідко використовується спільно з іншими елементами даних у порівнянні із загальним числом його застосування у всіх підзадач (це і є коефіцієнт використання). Отримані значення можуть служити критерієм для класифікації всіх елементів даних і, таким чином, для формування системи понять. "Метод формування переліку понять" полягає в тому, що експертам (бажано, щоб їх було більше двох) дається завдання скласти список понять, що відносяться до досліджуваної предметної області.

    Поняття, виділені усіма експертами, включаються в систему понять, решта підлягають обговоренню. "Рольовий метод" полягає в тому, що експертові дається завдання навчити інженера по знаннях розв'язання деяких задач предметної області. Таким чином, експерт грає роль вчителя, а інженер по знаннях - роль учня. Процес навчання записується на магнітофон. Потім третій учасник прослуховує магнітофонну стрічку і виписує на папері всі поняття, вжиті вчителем або учнем. При використанні методу "складання списку елементарних дій" експерту дається завдання скласти такий список при вирішенні завдання в довільному порядку. У методі "складання змісту підручника" експерту пропонується уявити ситуацію, в якій його попросили написати підручник.

    Необхідно скласти на папері перелік передбачуваних глав, розділів, параграфів, пунктів і підпунктів книги. "Текстологічний метод" формування системи понять полягає в тому, що експертові дається завдання виписати з настанов (книг за фахом) деякі елементи, що представляють собою одиниці змістової інформації. Група методів встановлення взаємозв'язків передбачає встановлення семантичної близькості між окремими поняттями. В основі встановлення взаємозв'язків лежить психологічний ефект "вільних асоціацій", а також фундаментальна категорія близькості об'єктів або концептів. Ефект вільних асоціацій полягає в наступному. Пацієнта просять відповідати на задане слово першим прийшов на розум словом. Як правило, реакція більшості досліджуваних (якщо слова не були надто незвичайними) виявляється однаковою. Кількість переходів у ланцюжку може служити мірою "смислового відстані" між двома поняттями. Численні досліди підтверджують гіпотезу, що для двох будь-яких слів (понять) існує асоціативний ланцюжок, що складається не більше ніж з семи слів. "Метод вільних асоціацій" заснований на психологічному ефекті, описаному вище. Експертові пред'являється поняття з проханням назвати якомога швидше перше що прийшло на розум поняття зі сформованої раніше системи понять. Далі проводиться аналіз отриманої інформації. У методі "сортування карток" початковим матеріалом служать виписані на картки поняття. Застосовуються два варіанти методу. У першому експерту задаються деякі глобальні критерії предметної області, якими він повинен керуватися при розкладанні карток на групи. У другому випадку, коли сформулювати глобальні критерії неможливо, експерту дається завдання розкласти картки на групи відповідно до інтуїтивним розумінням семантичної близькості пропонованих понять. "Метод виявлення регулярностей" заснований на гіпотезі про те, що елементи ланцюжка поняття, які людина згадує з певною регулярністю, мають тісний асоціативну взаємозв'язок. Для експерименту довільним чином відбирається 20 понять.

    Експертові пред'являється одна з числа відібраних. Процедура повторюється до 20 разів, причому кожного разу початкові концепти повинні бути різними. Потім інженер по знаннях аналізує отримані ланцюжки з метою знаходження постійно повторюваних понять (регулярностей). Усередині виділених таким чином угруповань встановлюються асоціативні взаємозв'язки. Крім розглянутих вище неформальних методів для встановлення взаємозв'язків між окремими поняттями застосовуються також формальні методи. Сюди в першу чергу відносяться методи семантичного диференціала і репертуарних решіток. Виділені поняття предметної області і встановлені між ними взаємозв'язку служать підставою для подальшої побудови системи метапонятій - осмислених у контексті досліджуваної предметної області системи угруповань понять. Для визначення цих угруповань застосовують як неформальні, так і формальні методи. Інтерпретація, як правило, легше дається експерту, якщо угруповання отримані неформальними методами. У цьому випадку виділені класи більш зрозумілі експерту. Причому в деяких предметних областях зовсім не обов'язково встановлювати взаємозв'язки між поняттями, так як метапонятія, образно кажучи, "лежать на поверхні". станнім етапом побудови моделі предметної області при концептуальному аналізі є встановлення семантичних відносин між виділеними поняттями і метапонятіямі. Встановити семантичні відносини - це значить визначити специфіку взаємозв'язку, отриманої в результаті застосування тих чи інших методів. Для цього необхідно кожну зафіксовану взаємозв'язок осмислити і віднести її до того чи іншого типу відносин. Існує близько 200 базових відносин, наприклад, "частина - ціле", "рід - вид", "причина - наслідок", просторові, часові та інші відносини. Для кожної предметної області крім загальних базових відносин можуть існувати й унікальні відносини. "Прямий метод" встановлення семантичних відносин заснований на безпосередньому осмисленні кожної взаємозв'язку. У тому випадку, коли експерт не може дати інтерпретацію виділеної взаємозв'язку, йому пропонується наступна процедура. Формуються трійки: поняття 1 - зв'язок - поняття 2. Поряд з кожною трійкою записується коротке речення або фраза, побудоване так, щоб поняття 1 і поняття 2 входили в цю пропозицію. Як зв'язок використовуються тільки змістовні відносини і не застосовуються невизначені зв'язки типу "схожий на" або "пов'язаний з". Для "непрямого методу" не обов'язково мати взаємозв'язку, достатньо лише наявність системи понять. Формулюється деякий критерій, для якого з системи понять вибирається певна сукупність концептів. Ця сукупність пред'являється експертові з проханням дати вербальне опис сформульованого критерію.

    Концепти пред'являються експертові всі відразу (бажано на картках). У випадку ускладнень експерта вдаються до розбиття відібраних концептів на групи за допомогою більш дрібних критеріїв. Початкове кількість концептів може бути довільним, але після розбиття на групи в кожній з таких груп має бути не більше десяти концептів. Після того як складено описи по всіх групах, експерту пропонують об'єднати ці описи в одне. Наступний крок в непрямому методі встановлення семантичних відносин - це аналіз тексту, складеного експертом. Концепти замінюють цифрами (це може бути вихідна нумерація), а зв'язки залишають. Тим самим будується деякий граф, вершинами якого служать концепти, а дугами - зв'язки (наприклад, "зважаючи", "призводить до", "висловлюючись з одного боку", "обумовлюючи", "поєднуючись", "визначає", "аж до" і т.д.) Цей метод дозволяє встановлювати не тільки базові відносини, але і відносини, специфічні для конкретної предметної області. Розглянуті вище методи формування системи понять і метапонятій, встановлення взаємозв'язків і семантичних відносин у різних поєднаннях застосовуються на етапі концептуалізації при побудові моделі предметної області. Етап формалізації. 
Тепер всі ключові поняття і відносини виражаються на деякій формальній мові, який або вибирається з числа вже існуючих, або створюється заново. Іншими словами, на даному етапі визначаються склад засобів і способи подання декларативних і процедурних знань, здійснюється це подання і в результаті формується опис рішення задачі ЕС на запропонованому (інженером по знаннях) формальній мові. Виходом етапу формалізації є опис того, як розглянута задача може бути представлена у вибраному або розробленому формалізмі. Сюди відноситься зазначення способів представлення знань (фрейми, сценарії, семантичні мережі і т.д.) і визначення способів маніпулювання цими знаннями (логічний висновок, аналітична модель, статистична модель тощо) і інтерпретації знань.

   Етап виконання. Мета цього етапу - створення одного або декількох прототипів ЕС, вирішальних необхідні завдання. Потім на даному етапі за результатами тестування та дослідної експлуатації створюється кінцевий продукт, придатний для промислового використання. Розробка прототипу полягає в програмуванні його компонентів або виборі їх з відомих інструментальних засобів і наповненні бази знань. Головне у створенні прототипу полягає в тому, щоб цей прототип забезпечив перевірку адекватності ідей, методів і способів подання знань важливість справ. Створення першого прототипу повинно підтвердити, що обрані методи рішень і способи подання придатні для успішного вирішення, принаймні, ряду завдань з актуальної предметної області, а також продемонструвати тенденцію до отримання високоякісних і ефективних рішень для всіх задач предметної області у міру збільшення обсягу знань. Після розробки першого прототипу ЕС-1 коло пропонованих для вирішення завдань розширюється, і збираються побажання і зауваження, які повинні бути враховані в черговий версії системи ЕС-2. Здійснюється розвиток ЕС-1 шляхом додавання "дружнього" інтерфейсу, засобів для дослідження бази знань і ланцюжків висновків, що генеруються системою, а також коштів для збору зауважень користувачів і засобів зберігання бібліотеки завдань, вирішених системою. Виконання експериментів з розширеною версією ЕС-1, аналіз побажань і зауважень служать відправною точкою для створення другого прототипу ЕС-2. Процес розробки ЕС-2 - ітеративний. Він може тривати від кількох місяців до кількох років залежно від складності предметної області, гнучкості обраного представлення знань і ступеня відповідності керуючого механізму важливість справ (можливо, буде потрібно розробка ЕС-3 і т.д.). При розробці ЕС-2, крім перерахованих завдань, вирішуються такі: * Аналіз функціонування системи при значному розширенні бази знань; * Дослідження можливостей системи у вирішенні більш широкого кола завдань і вживання заходів для забезпечення таких можливостей; * Аналіз думок користувачів про функціонування ЕС; * Розробка системи введення-виведення, що здійснює аналіз чи синтез пропозицій обмеженого природної мови, що дозволяє взаємодіяти з ЕС-2 у формі, близькій до форми стандартних підручників для даної області. Якщо ЕС-2 успішно пройшла етап тестування, то вона може класифікуватися як промислова експертна система.