Информационные технологии экспертных систем

 

Информационные технологии экспертных систем

 

Характеристика  и назначение. Наибольший прогресс среди компьютерных информационных систем отмечен в области разработки экспертных систем, основанных на использовании искусственного интеллекта. Экспертные системы дают возможность менеджеру или специалисту получать консультации экспертов по любым проблемам, о которых этими системами накоплены знания.

Решение специальных задач  требует специальных знаний. Однако не каждая компания может себе позволить  держать в своем штате экспертов  по всем связанным с ее работой  проблемам или даже приглашать их каждый раз, когда проблема возникла. Главная идея использования технологии экспертных систем заключается в  том, чтобы получить от эксперта его  знания и, загрузив их в память компьютера, использовать всякий раз, когда в  этом возникнет необходимость. Являясь  одним из основных приложений искусственного интеллекта, экспертные системы представляют собой компьютерные программы, трансформирующие опыт экспертов в какой-либо области  знаний в форму эвристических  правил (эвристик). Эвристики не гарантируют  получения оптимального результата с такой же уверенностью, как обычные  алгоритмы, используемые для решения  задач в рамках технологии поддержки  принятия решений. Однако часто они  дают в достаточной степени приемлемые решения для их практического  использования. Все это делает возможным  использовать технологию экспертных систем в качестве советующих систем.

Сходство информационных технологий, используемых в экспертных системах и системах поддержки принятия решений, состоит в том, что обе  они обеспечивают высокий уровень  поддержки принятия решений. Однако имеются три существенных различия. Первое связано с тем, что решение  проблемы в рамках систем поддержки  принятия решений отражает уровень ее понимания пользователем и его возможности получить и осмыслить решение. Технология экспертных систем, наоборот, предлагает пользователю принять решение, превосходящее его возможности. Второе отличие указанных технологий выражается в способности экспертных систем пояснять свои рассуждения в процессе получения решения. Очень часто эти пояснения оказываются более важными для пользователя, чем само решение. Третье отличие связано с использованием нового компонента информационной технологии – знаний.

 

Основными компонентами информационной технологии, используемой в экспертной системе, являются: интерфейс пользователя, база знаний, интерпретатор, модуль создания системы.

1. Интерфейс пользователя. Менеджер (специалист) использует интерфейс для ввода информации и команд в экспертную систему и получения выходной информации из нее. Команды включают в себя параметры, направляющие процесс обработки знаний. Информация обычно выдается в форме значений, присваиваемых определенным переменным.

Менеджер может использовать четыре метода ввода информации: меню, команды, естественный язык и собственный  интерфейс.

Технология экспертных систем предусматривает возможность получать в качестве выходной информации не только решение, но и необходимые объяснения.

Различают два вида объяснений:

• объяснения, выдаваемые по запросам. Пользователь в любой момент может потребовать от экспертной системы объяснения своих действий.
• объяснения полученного решения проблемы. После получения решения пользователь может потребовать объяснений того, как оно было получено. Система должна пояснить каждый шаг своих рассуждений, ведущих к решению задачи. Хотя технология работы с экспертной системой не является простой, пользовательский интерфейс этих систем является дружественным и обычно не вызывает трудностей при ведении диалога.

 

2. База знаний содержит факты, описывающие проблемную область, а также логическую взаимосвязь этих фактов. Центральное место в базе знаний принадлежит правилам. Правило определяет, что следует делать в данной конкретной ситуации, и состоит из двух частей: условие, которое может выполняться или нет, и действие, которое следует произвести, если выполняется условие.

Все используемые в экспертной системе правила образуют систему  правил, которая даже для сравнительно простой системы может содержать  несколько тысяч правил.

Все виды знаний в зависимости  от специфики предметной области  и квалификации проектировщика (инженера по знаниям) с той или иной степенью адекватности могут быть представлены с помощью одной либо нескольких семантических моделей. К наиболее распространенным моделям относятся  логические, продукционные, фреймовые  и семантические сети.

3. Интерпретатор. Это часть экспертной системы, производящая в определенном порядке обработку знаний, находящихся в базе знаний. Технология работы интерпретатора сводится к последовательному рассмотрению совокупности правил (правило за правилом). Если условие, содержащееся в правиле, соблюдается, то выполняется определенное действие, и пользователю предоставляется вариант решения его проблемы.

Кроме того, во многих экспертных системах вводятся дополнительные блоки: база данных, блок расчета, блок ввода  и корректировки данных. Блок расчета  необходим в ситуациях, связанных  с принятием управленческих решений. При этом важную роль играет база данных, где содержатся плановые, физические, расчетные, отчетные и другие постоянные или оперативные показатели. Блок ввода и корректировки данных используется для оперативного и  своевременного отражения текущих  изменений в базе данных.

4. Модуль создания системы служит для создания набора (иерархии) правил. Существует два подхода, которые могут быть положены в основу модуля создания системы: использование алгоритмических языков программирования и использование оболочек экспертных систем.

Для представления базы знаний специально разработаны языки Лисп и Пролог, хотя можно использовать и любой известный алгоритмический  язык.

Оболочка экспертных систем представляет собой готовую программную  среду, которая может быть приспособлена  к решению определенной проблемы путем создания соответствующей  базы знаний. В большинстве случаев  использование оболочек позволяет  создавать экспертные системы быстрее  и легче в сравнении с программированием.

 

 

 

 

Системы управления базами данных

Современные информационные системы (ИС),  реализующие  интеграцию данных, характеризуются огромными  объемами хранимых  данных,  сложной  организацией, необходимостью удовлетворять  разнообразные требования  многочисленных  пользователей.  Лекция   дает представление о базах данных (БД),  возможностях систем управления   базами данных (СУБД) и их использовании.  Основные  функциональные возможности  и технологические операции работы в СУБД рассматриваются без привязки к конкретному типу программного продукта. Подобные систематизированные  знания являются базовыми для практического  освоения любых СУБД.

Цель информационной системы - обработка данных об объектах реального мира.  В широком смысле база данных - это совокупность сведений о конкретных объектах реального мира в какой-либо  предметной области. Под предметной областью принято понимать часть реального мира, подлежащего изучению. Создавая базу данных,  пользователь стремится упорядочить информацию по различным признакам и быстро извлекать выборку с произвольным сочетанием признаков.  Это возможно сделать, если данные структурированы. Структурирование - введение соглашений о способах представления данных.

Пользователями базы  данных  могут  быть различные  прикладные программы, а также специалисты  предметной области, выступающие  в  роли  потребителей или источников данных, называемые конечными пользователями.

В современной технологии баз данных предполагается,  что  создание базы данных,  ее поддержка  и обеспечение доступа пользователей к  ней  осуществляется  централизованно с помощью специальных программных средств - системы управления базами данных.

База данных (БД) - это поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области.

Система управления  базами данных (СУБД) - это комплекс программных и языковых средств,  необходимых для создания баз данных, поддержания их  в актуальном состоянии и организации поиска в них необходимой информации.

Централизованный характер  управления  данными  в базе данных предполагает необходимость существования  некоторого  лица  (группы лиц), на  которое  возлагаются  функции  администрирования данными, хранимыми  в базе.

Классификация баз  данных

По технологии обработки  данных БД подразделяются на централизованные и распределенные. Централизованная база  данных хранится в памяти  одной  вычислительной  системы.  Если  эта  вычислительная система является компонентом  сети  ЭВМ,  возможен  распределенный доступ  к такой базе.  Такой способ использования баз данных часто применяется в  локальных  сетях  ПК.  Распределенная  база  данных состоит из нескольких,  возможно пересекающихся или даже дублирующих друг друга частей, хранимых в различных ЭВМ вычислительной сети. Работа с такой базой осуществляется с помощью системы управления распределенной базы данных (СУРБД).

По способу  доступа  к данным БД разделяются на БД  с локальным доступом и БД с удаленным (сетевым) доступом.

 

Системы централизованных БД с сетевым  доступом  предполагают различные архитектуры подобных систем:

- файл-сервер;

- клиент-сервер.

Архитектура файл-сервер предполагает выделение одной из машин сети в качестве центральной (сервер файлов).  На такой машине хранится совместно используемая централизованная БД. Все другие машины сети выполняют функции рабочих станций,  с помощью которых поддерживается доступ пользовательской системы к централизованной базе данных. Файлы БД в соответствии с пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где в основном и производится обработка. Пользователи  могут также создавать на рабочих станциях локальные БД, которые используются ими монопольно.

В архитектуре  клиент-сервер подразумевается,  что помимо хранения  централизованной  БД  центральная машина (сервер БД) должна обеспечивать выполнение основного объема обработки данных.  Запрос на данные, выдаваемый клиентом (рабочей станцией), порождает поиск и извлечение данных на сервере.  Извлеченные данные (но  не  файлы)  передаются по сети от сервера к клиенту.

Структурные элементы БД: поле, запись, файл (таблица).

Поле -  элементарная  единица логической организации данных, которая соответствует неделимой единице информации  -  реквизиту. Для описания поля используются следующие характеристики:

• имя, например, ФИО
• тип, например, символьный, числовой, календарный;
• длина, определяемая  максимально возможным количеством символов, например, 15 байт;
• точность для числовых данных.

Запись -  совокупность  логически связанных полей.  Экземпляр записи - отдельная реализация записи, содержащая конкретные значения ее полей.

Файл (таблица)  -  совокупность  экземпляров записей   одной структуры.

В структуре записи файла  указываются поля, значения которых  являются ключами: первичными (ПК), которые  идентифицируют экземпляр  записи,  и вторичными (ВК),  которые выполняют  роль поисковых или группировочных признаков (по значению вторичного  ключа можно найти несколько записей).

Виды моделей  данных

Ядром любой БД является модель данных - совокупность структур данных и операций их  обработки.

СУБД основывается на использовании иерархической, сетевой или реляционной модели, а также на комбинации этих моделей.

Иерархическая модель данных -  древовидная.  Объекты связаны иерархическими отношениями подобно перевернутому дереву.  К основным понятиям иерархической структуры относятся:  уровень,  элемент (узел), связь. Узел - это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект.  Каждый узел на более низком  уровне  связан только с одним узлом,  находящимся на более высоком уровне. Иерархическое дерево имеет только одну вершину (корень дерева), не подчиненную никакой другой  вершине и находящуюся на самом верхнем (первом) уровне. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и т.д.  уровнях. В каждой записи БД существует только один (иерархический) путь от корневой записи.

 

В сетевой  модели  данных  при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый элемент может  быть связан с любым другим элементом.

Реляционная модель данных (англ.  relation - отношение) отличается простотой структуры данных,  удобным для пользователя табличным представлением. Эта модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц.  Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

- каждый элемент таблицы  - один элемент данных;

- все столбцы в  таблице   однородные,  т.е.  все  элементы  в столбце имеют одинаковый  тип (числовой, символьный и т.д.) и длину;

- каждый столбец имеет  уникальное имя;