Экспертные системы и их использование

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Экспертные системы и их использование

Экспертные системы и их использование

14

Экспертная система (ЭС, expert system) -- компьютерная программа, способная частично заменить специалиста-эксперта в разрешении проблемной ситуации. ЭС начали разрабатываться исследователями искусственного интеллекта в 1970-х годах, а в 1980-х получили коммерческое подкрепление.

В информатике экспертные системы рассматриваются совместно с базами знаний как модели поведения экспертов в определенной области знаний с использованием процедур логического вывода и принятия решений, а базы знаний -- как совокупность фактов и правил логического вывода в выбранной предметной области деятельности.

Похожие действия выполняет программа-мастер (wizard). Мастера применяются как в системных программах, так и в прикладных для интерактивного общения с пользователем (например, при установке ПО). Главное отличие мастеров от ЭС -- отсутствие базы знаний; все действия жестко запрограммированы. Это просто набор форм для заполнения пользователем.

Другие подобные программы -- поисковые или справочные (энциклопедические) системы. По запросу пользователя они предоставляют наиболее подходящие (релевантные) разделы базы статей (представления об объектах областей знаний, их виртуальную модель). Например, в Википедии аналогами статических визардов являются её структуры (типы данных, в терминологии ООП - классы и интерфейсы) - категории, списки, шаблоны, порталы, которые по названию объекта выдают пользователю все его имеющиеся для данной структуры Википедии аттрибуты.

Структура, режимы функционирования, классификация экспертных систем

Структура

· Интерфейс пользователя (Интерфейс (от англ. interface -- поверхность раздела, перегородка) -- совокупность средств и методов взаимодействия между элементами системы.)

· Пользователь

· Интеллектуальный редактор базы знаний

· Эксперт (Эксперт (от лат. expertus -- опытный) -- специалист, дающий заключение при рассмотрении какого-нибудь вопроса.)

· Инженер

· Рабочая (оперативная) память

· База знаний

· Решатель (механизм вывода)

· Подсистема объяснений

База знаний состоит из правил анализа информации от пользователя по конкретной проблеме. ЭС анализирует ситуацию и, в зависимости от направленности ЭС, дает рекомендации по разрешению проблемы.

Как правило, база знаний ЭС содержит факты (статические сведения о предметной области) и правила - набор инструкций, применяя которые к известным фактам можно получать новые факты.

В рамках логической модели баз данных и базы знаний, записываются на языке Пролог с помощью языка предикатов для описания фактов и правил логического вывода, выражающих правила определения понятий, для описания обобщенных и конкретных сведений, а также конкретных и обобщенных запросов к базам данных и базам знаний.

Конкретные и обобщенные запросы к базам знаний на языке Пролог записываются с помощью языка предикатов, выражающих правила логического вывода и определения понятий над процедурами логического вывода, имеющихся в базе знаний, выражающих обобщенные и конкретные сведения и знания в выбранной предметной области деятельности и сфере знаний.

Обычно факты в базе знаний описывают те явления, которые являются постоянными для данной предметной области. Характеристики, значения которых зависят от условий конкретной задачи, ЭС получает от пользователя в процессе работы, и сохраняет их в рабочей памяти. Например, в медицинской ЭС факт «У здорового человека 2 ноги» хранится в базе знаний, а факт «У пациента одна нога» -- в рабочей памяти.

База знаний ЭС создается при помощи трех групп людей:

1. эксперты той проблемной области, к которой относятся задачи, решаемые ЭС;

2. инженеры по знаниям, являющиеся специалистами по разработке ИИС;

3. программисты, осуществляющие реализацию ЭС.

ЭС может функционировать в 2-х режимах.

1. Режим ввода знаний -- в этом режиме эксперт с помощью инженера по знаниям посредством редактора базы знаний вводит известные ему сведения о предметной области в базу знаний ЭС.

2. Режим консультации -- пользователь ведет диалог с ЭС, сообщая ей сведения о текущей задаче и получая рекомендации ЭС. Например, на основе сведений о физическом состоянии больного ЭС ставит диагноз в виде перечня заболеваний, наиболее вероятных при данных симптомах.

Концепции в Cyc называются константами. Имена констант начинаются с необязательных символов «#$» и чувствительны к регистру. Существуют константы для:

· Отдельных элементов, которые называются individual, например #$BillClinton или #$France.

· Совокупностей (Collections) таких, как например, #$Tree-ThePlant (в которую входят все деревья) или #$EquivalenceRelation (в которой содержатся все отношения эквивалентности). Член совокупности называется экземпляром данной коллекции.

· Функций истинности (Truth Functions) которые можно применять к одной или нескольким концепциям и возвращающие значение истина или ложь. Например #$siblings (потомки одного родителя) является отношением родства, истинным только в том случае, когда два его аргумента являются братьями или сёстрами. По соглашению, константы функций истинности начинаются с буквы в нижнем регистре. Функции истинности поддаются разбиению на логические связки (такие как #$and, #$or, #$not, #$implies), кванторы (#$forAll, #$thereExists, и т. д.) и предикаты.

· Функций Functions, которые образуют новые термы из данных. Например, если передать функции #$FruitFn в качестве аргумента тип (или коллекцию) растений, вернёт коллекцию их фруктов. По соглашению, имена констанит функций начинаются с буквы в верхнем регистре и заканчиваются строкой «Fn».

Наиболее важными предикатами являются #$isa и #$genls. Первый является утверждением что некий элемент является экземпляром некой коллекции, а второй что коллекция является подколлекцией другой коллекции. Факты о концепциях декларируются с помощью особых высказываний языка CycL. Предикаты записываются в скобках перед своими аргументами:

(#$isa #$BillClinton #$UnitedStatesPresident)

означает что «Билл Клинтон входит в совокупность президентов США», а высказывание

(#$genls #$Tree-ThePlant #$Plant)

читается как «Все деревья являются растениями».

(#$capitalCity #$France #$Paris)

значит: «Париж столица Франции».

Высказывания также могут содержать переменные, строки начинающиеся со знака «?». Эти высказывания называются «правилами». Одно из важнейших правил, относящихся к предикату #$isa читается:

(#$implies

(#$and

(#$isa ?OBJ ?SUBSET)

(#$genls ?SUBSET ?SUPERSET))

(#$isa ?OBJ ?SUPERSET))

что означает «если OBJ является экземпляром коллекции SUBSET, а SUBSET в свою очередь является подколлекцией SUPERSET тогда также OBJ является экземпляром коллекции SUPERSET». Другой типичный пример:

(#$relationAllExists #$biologicalMother #$ChordataPhylum #$FemaleAnimal)

что означает что любой экземпляр коллекции #$ChordataPhylum (то есть любое хордовое) связан с самкой животного (экземпляром #$FemaleAnimal), которая является его матерью (что описывается предикатом #$BiologicalMother).

База знаний Cyc разделена на микротеории (Mt), коллекции концепций и фактов принадлежащих одной конкретной области знаний. В отличие от полной базы знаний, всякая микротеория должна быть свободной от противоречий. Всякая микротеория имеет название, которое является обычной константой; по соглашению константы микротеорий содержат строку «Mt». Пример -- #$MathMt, микротеория содержащая математические знания. Микротеории могут наследоваться одна от другой и организованы в иерархию: одной из специализаций #$MathMt является #$GeometryGMt -- микротеория о геометрии.

В июле 2006 года Cycorp выпустила ResearchCyc 1.0, бесплатную (но с закрытыми исходниками) версию Cyc предназначенную для исследовательского сообщества. (ResearchCyc находился в бета версии в течение всего 2004 года, а выпущена в бета-тестирование она была в феврале 2005.) В дополнение к таксономической информации из OpenCyc, ResearchCyc включает значительно больше семантических знаний (то есть дополнительные факты) о концепциях в своей базе знаний, и включает большой лексикон, инструменты для грамматического разбора и генерации Английского языка, написанные на языке Java интерфейсы для редактирования знаний и создания запросов к базе.

Cycorp публично выразила своё намерение выпустить все термы и таксономические взаимосвязи, содержащиеся в ResearchCyc, как часть OpenCyc и это было сделано в версии 1.0. Одна из указанных целей -- создать полностью свободный и неограниченный семантический словарь для использования в Semantic Web. Таксономия OpenCyc доступна в формате Owl на сайте проекта

Cyc описывают как «одно из наиболее противоречивых начинаний в истории искусственного интеллекта» (Бертино и др. стр. 275), так что он неизбежно получил свою долю критики.

· Чрезмерная сложность системы -- без сомнения необходимая в силу энциклопедических амбиций -- и соответственно сложность добавления (вручную) данных в систему

· Проблемы масштабируемости from widespread reification, особенно как константы

· Неудовлетворительное использование концепции материи, и связанного с этим, различия между внутренними и внешними свойствами

· Отсутствие вменяемых измерений производительности или сравнений эффективности машины вывода Cyc

· Нынешняя неполнота системы как в ширину, так и глубину, и связанная с этим сложность в измерении её полноты

· Недостаток документации

· Отсутствие не устаревшего онлайнового обучающего материала усложняет изучение системы для новичков

· Несмотря на своё название система OpenCyc не является полностью открытой: данные доступны для редактирования пользователям, но код недоступен для расширения разработчикам.[1]

Данные вопросы обсуждались в разных местах с момента запуска проекта. Даг Ленат и другие опубликовали множество аргументов в защиту своего проекта.

CLIPS, (от англ. C Language Integrated Production System) -- программная экспертная система. Синтаксис и название предложены Чарльзом Форги (Charles Forgy) в OPS (Official Production System). Первые версии CLIPS разрабатывались с 1984 года в Космическом центре Джонсона (Johnson Space Center), NASA (как альтернатива существовавшей тогда системе ART*Inference), пока в начале 1990-х не было приостановлено финансирование, и NASA вынудили купить коммерческие продукты.

Вероятно, CLIPS является наиболее широко используемой экспертной системой благодаря своей скорости, эффективности и бесплатности. Несмотря на то, что теперь она является общественным достоянием, она до сих пор обновляется и поддерживается своим изначальным автором, Гэри Райли (Gary Riley).

CLIPS включает полноценный объектно-ориентированный язык COOL для написания экспертных систем. Хотя она написана на языке Си, её интерфейс намного ближе к языку программирования LISP. Расширения можно создавать на языке Си, кроме того, можно интегрировать CLIPS в программы на языке Си.

Как и другие экспертные системы, CLIPS имеет дело с правилами и фактами. Различные факты могут сделать правило применимым. Применимое правило затем допускается (assert). Факты и правила создаются предварительным объявлением, как показано в примере:

(deffacts trouble_shooting

(car_problem (name ignition_key) (status on))

(car_problem (name engine) (status wont_start))

(car_problem (name headlights) (status work))

(defrule rule1

(car_problem (name ignition_key) (status on))

(car_problem (name engine) (status wont_start))

(assert (car_problem (name starter) (status faulty))

Потомками CLIPS являются языки программирования Jess (часть CLIPS, работающая с правилами и переписанная на Java, позже развившаяся в другом направлении), ECLiPSe, Haley Eclipse, FuzzyCLIPS (с добавлением концепции значимости relevancy в язык) и другие.

Существует учебник для колледжей, Expert Systems: Principles and Programming (ISBN 0-534-95053-1) и книга по Jess, Jess in Action: Rule Based Systems in Java (ISBN 1-930110-89-8). Кроме того CLIPS содержит обширную документация прямо в поставке.

Список используемой литературы

1. Гаврилова Т. А., Хорошевский В. Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. Учебник. -- СПб: Питер, 2000.

2. Субботін С. О. Подання й обробка знань у системах штучного інтелекту та підтримки прийняття рішень: Навчальний посібник. -- Запоріжжя: ЗНТУ, 2008. -- 341 с.

3. http://ru.wikipedia.org/ Википедия - свободная энциклопедия