Основні поняття експертних систем

Експертна система (ЕС) - це різновид СППР, в який включаються знання фахівців в деякій наочній області і яка здатна приймати і генерувати експертні рішення.

Іншими словами, ЕС - комп'ютерний аналог людини-експерта. При цьому ЕС застосовуються, як правило, для вирішення некоректних завдань, тобто завдань, пов'язаних з невизначеністю, для яких потрібний досвід фахівця в даній наочній області.

Перед ЕС ставиться завдання імітації процесу прийняття рішення. ЕС застосовуються, як правило, у вузьких областях вирішення проблем, які вже розроблені людиною.

Першими найбільш поширеними ЕС були медичні діагностичні системи. У таких ЕС закладаються знання досвідчених лікарів в даній області медицини. Використовувати ЕС може і початкуючий фахівець, що уміє працювати на комп'ютері.

Експертом вважається людина, професійні знання і досвід якого отримали визнання у фахівців в даній області.

ЕС - це програма, яка, як правило, має наступні підсистеми:

база знань, в якій зберігаються знання експерта;

механізм логічного виводу - система виходячи із знань робить логічні виводи;

інтерфейс для ведення діалогу з користувачем;

система пояснень;

інтерфейс з експертом або когнітологом;

база даних  - є накопичення логічних виводів, отриманих в процесі вирішення проблеми.

 

Основні області застосування ЕС

 

Діагностика - застосовується близько 36 % всіх ЕС. ЕС роблять висновки про порушення в системі виходячи із спостережень.

Інтерпретація - 15% ЕС - опис типу ситуацій за спостережуваними даними.

Проектування - 13% ЕС - побудова конфігурацій об'єктів при обмежених даних.

Управління - 11% - інтерпретація, прогноз поведінки системи.

Планування - 11% - складання плану дій або послідовності операцій.

Моніторинг - 8% - порівняння спостережень з критичними точками плану.

Прогнозування - 3% -отримання імовірнісних наслідків із заданих ситуацій.

Навчання - 2% - діагностика, відстежування і виправлення поведінки учня.

Ремонт - 1% - план рекомендацій щодо ремонту.

Відладка - 1% - рекомендації по виправленню несправностей.

 

Архітектура ЕС

 

База знань;

Машина виводу;

Діалоговий компонент;

Система накопичення знань;

Система пояснень;

База даних.

Основна особливість ЕС полягає в тому, що в ній база знань (БЗ) виділяється в окремий компонент.

Вся ЕС - це комп'ютерна система, в якій в явному вигляді представлені знання експертів і яка на основі цих знань здійснює логічний вивід з метою вирішення проблеми. При цьому система взаємодіє з користувачем на професійній мові в даній наочній області і пояснює свої виводи.

Когнітолог або інженер по знаннях відповідає за витягання знань з експерта і введення знань в ЕС.
Експерт - професіонал в даній наочній області, що володіє досвідом роботи.
Користувач - фахівець в даній наочній області, але що не володіє досвідом роботи.

Більшість ЕС мають БД. Під БД зазвичай розуміють ті проміжні знання і дані, які з'являються в процесі логічного виводу і дозволяють потім пояснювати логічний вивід.

База знань - це сукупність знань експертів, яка є моделлю ПО, а також модель міркувань.

У ЕС розглядаються ті проблеми, для яких точну математичну модель побудувати неможливо. Тоді притягується інформаційна модель, яка побудована на знаннях експертів і ці моделі поєднуються.
Знання про наочну область включають факти, які характеризують цю область, і правила міркувань (правила, по яких з одних фактів виводяться інші).
Факти і правила, які входять в базу знань, застосовуються для двох цілей:

1.   описання моделі наочної області;

2.   побудова моделі міркувань (моделі логічного виводу).

Для представлення фактів і правил в базі знань використовують три способи:

1.   правила продукції;

2.   семантичні мережі;

3.   фрейми.

Машина виводу виконує логічний доказ, який імітує міркування експерта.
Машина виводу використовує факти, які зберігаються в базі знань і за допомогою правил отримує нові факти. Процес накопичення фактів продовжується до тих пір, поки не буде знайдено вирішення проблеми або доведена її нерозв'зність.
Машина виводу виконує дві функції:

1.   власне вивід;

      2.   управління виводом.

Власне вивід - це накопичення всіх фактів, які отримані з бази знань.

Управління виводом - вказівка, яке правило застосовувати на кожному кроці рішення. У спрощеному вигляді - це побудова прямого або зворотного ланцюжків міркувань. Особливістю є те, що хід міркувань залежить також від відповідей користувача в процесі діалогу. У прямому ланцюжку міркувань логічний вивід починається від бази знань, при зворотному ланцюжку міркувань логічний вивід починається від мети. 

Діалоговий компонент ЕС складається з двох частин, оскільки ЕС працює в двох режимах:

1.   придбання знань. У цьому режимі експерт, використовуючи систему придбання знань, за допомогою когнітолога вводить знання в ЕС;

2.   знання представляються в двох формах: у вигляді фактів і у вигляді правил. Факти визначають  об'єкти наочної області, правила визначають способи маніпулювання з фактами в даній наочній області.

Режим консультації здійснюється з користувачем. Для цього служить інтерфейс з користувачем. Діалог ведеться на природній мові (ПМ).

У ЕС передбачений сценарій діалогу, який виглядає таким чином:

1.         ЕС визначає, хто виступає в ролі активної сторони. Якщо активною стороною є користувач, то він формує проблему.

2.         По ходу вирішення проблеми ЕС ставить питання. В кінці система пропонує гіпотезу рішення або декілька гіпотез.

Особливістю ЕС є те, що діалог можна повторювати, починаючи з будь-якого місця. При цьому може змінитися хід логічного виводу.

Користувач може запитати хід міркувань ЕС.
На діалоговий компонент ЕС доводиться близько 0.5 об'єму програми.

Система накопичення знань - знання поступають в ЕС від експерта або когнітолога. Динамічні ЕС здібні до самонавчання, а також дозволяють змінювати і виключати існуючі знання. На відміну від бази даних процес накопичення бази знань, як правило, продовжується на протяг всього життєвого циклу ЕС. При цьому в розвинених системах формуються нові версії паралельно із старими. Після тестування система може прейті на нову версію знань.

Система пояснень – ЕС повинна пояснювати свої виводи на першу вимогу експерта на будь-якому етапі діалогу, тобто ЕС  повинна не тільки отримати рішення, але і переконати користувача. Детальне пояснення виводу сприяє виявленню помилок і полегшує вивчення ЕС. Пояснення задається у вікні пояснень і складається з чотирьох рівнів:

1.   докладне пояснення;

2.   перелік всіх правил;

3.   віддзеркалення тільки результатів;

4.   без пояснень.

Для пояснення задаються питання двох типів:

1.   НАВІЩО? або ЧОМУ? - на це питання слідує пояснення, чому поставлено таке питання.

2.   ЯК? - задається у тому випадку, коли користувач хоче дізнатися, як отримано вирішення проблеми.

Стандартні питання, як правило, задаються однією буквою або функціональною клавішею.

У базі даних поміщаються всі факти, які беруться з бази знань і які отримані в результаті логічного виводу.

У динамічних ЕС вводяться ще 2 компоненти:

1.   підсистема моделювання зовнішнього світу;

2.   підсистема зв'язку із зовнішнім оточенням за допомогою датчиків.