Лабораторная работа №1, Цель работы, Теоретическое введение - Интеллектуальные информационные системы

Изучение возможностей экспертных систем

Цель работы

Целью является проектирование и разработка фрагмента экспертной системы.

Теоретическое введение

Экспертная система - это информационная система, основанная на знаниях эксперта и позволяющая решать поставленную в рамках некоторой предметной области задачу, по крайней мере, не хуже, чем эксперт.

Ниже представлена структура ЭС. Пользователь, желающий получить информацию, через интерфейс посылает запрос к ЭС; решатель, пользуясь базой знаний, генерирует и выдает пользователю подходящую рекомендацию, объясняя ход своих рассуждений при помощи подсистемы объяснений.

структура статической эс

Рис. 1 Структура статической ЭС

Терминология

Пользователь - специалист предметной области, для которого предназначена система.

Инженер по знаниям - специалист в области ИИ. Синонимы: когнитолог, инженер-интерпретатор, аналитик.

Диалоговый компонент - комплекс программ, реализующих диалог пользователя с ЭС.

База знаний - ядро ЭС, совокупность знаний ПО, записанных в память на языке, понятном эксперту и пользователю. Параллельно существует БЗ во внутреннем машинном представлении.

Решатель - программа, моделирующая ход рассуждений эксперта на основании знаний, имеющихся в БЗ. Синонимы: дедуктивная машина, машина вывода, блок логического вывода.

Объяснительный компонент - программа, позволяющая пользователю получить ответы на вопрос, как система приняла такое решение и почему.

Интеллектуальный редактор БЗ - программа, позволяющая инженеру по знаниям создавать БЗ в диалоговом режиме. Включает систему вложенных меню, подсказок и других сервисных средств.

Классификация по решаемой задаче:

Интерпретация данных - это одна из традиционных задач для ЭС, процесс определения смысла данных, результаты которого должны быть согласованными и корректными. Предусматривается многовариантный анализ данных. (Обнаружение и идентификация различных типов океанских судов по результатам аэрокосмического сканирования, определение свойств личности по результатам тестирования АВАНТЕСТ, МИКРОЛЮШЕР).

Диагностика - процесс соотнесения объекта с некоторым классом объектов и обнаружение отклонения от нормы. Диагностика и терапия сужения коронарных сосудов, диагностика ошибок в аппаратуре и математическом обеспечении ЭВМ.

Мониторинг. Основная задача мониторинга - непрерывная интерпретация данных в реальном масштабе времени и сигнализация о выходе тех или иных параметров за допустимые пределы. Контроль за работой электростанций, контроль аварийных датчиков на химическом заводе - FALCON.

Проектирование - подготовка спецификаций на создание "объектов" с заранее определенными свойствами. Под спецификацией понимается полный набор документов. В задачах проектирования тесно связаны два основных процесса ЭС: процесс вывода решения и процесс объяснения. Проектирование конфигураций ЭВМ, синтез электрических цепей.

Прогнозирование - позволяет предсказывать события на основании имеющихся данных, логически выводить вероятные следствия из данных ситуаций. Предсказание погоды - WILLARD; оценки будущего урожая - PLANT; прогнозы в экономике - ECON.

Планирование - нахождение планов действий объектов, способных выполнять некоторые функции. Для выведения логических последствий планируемой деятельности используются модели поведения реальных объектов. Планирование поведения робота - STRIPS, планирование промышленных заказов - ISIS, эксперимента - MOLGEN.

Обучение - системы обучения с помощью компьютера диагностируют ошибки и подсказывают правильные решения. Они аккумулируют знания о гипотетическом ученике, о его характерных ошибках и способны диагностировать слабости в познаниях обучаемых и находить средства их ликвидации.

Управление - функция организованной системы, поддерживающая определенный режим деятельности. Такого рода ЭС осуществляют управление поведением сложных систем в соответствии с заданными спецификациями. Управление газовой котельной GAS, управление системой календарного планирования Project Assistant.

Поддержка принятия решений - это совокупность процедур, обеспечивающая лицо, принимающее решение, необходимой информацией и рекомендациями. Выбор стратегии выхода фирмы из кризисной ситуации Crisis, выбор страховой компании Choice.

В общем случае все системы, основанные на знаниях, можно подразделить на системы, решающие задачи анализа, и на системы, решающие задачи синтеза. Задачи анализа: интерпретация данных, диагностика, поддержка принятия решения. Задачи синтеза: проектирование, планирование, управление. Комбинированные задачи: обучение, мониторинг, прогнозирование.

Классификация по связи с реальным временем:

Статические ЭС разрабатываются в предметных областях, в которых база знаний и интерпретируемые данные не меняются во времени. Они стабильны. (Диагностика автомобиля).

Квазидинамические ЭС интерпретируют ситуацию, которая меняется с некоторым фиксированным интервалом во времени. (Производство лизина).

Динамические ЭС работают в сопряжении с датчиками объектов в режиме реального времени и непрерывной интерпретацией поступающих в систему данных. (Управление гибкими производственными комплексами, мониторинг в реанимационных палатах).

Классификация по степени интеграции с другими программами:

Автономные ЭС работают непосредственно в режиме консультаций с пользователем для специфических "экспертных" задач;

Гибридные ЭС представляют программный комплекс, агрегирующий стандартные пакеты прикладных программ (мат. статистику, линейное программирование, СУБД) и средства манипулирования знаниями.

Следует отметить, что разработка гибридных систем являет собой задачу на порядок более сложную, чем разработка автономной ЭС. Стыковка не просто разных пакетов, а разных методологий порождает целый комплекс теоретических и практических трудностей.

Цель ЭС - вывести некоторый заданный факт, который называется целевым утверждением (то есть в результате применения правил добиться того, чтобы этот факт был включен в рабочее множество), либо опровергнуть этот факт (то есть убедиться, что его вывести невозможно, следовательно, при данном уровне знаний системы он является ложным). Целевое утверждение может быть либо "заложено" заранее в базу знаний системы, либо извлекается системой из диалога с пользователем.

Работа системы представляет собой последовательность шагов, на каждом из которых из базы выбирается некоторое правило, которое применяется к текущему содержимому рабочего множества. Цикл заканчивается, когда выведено либо опровергнуто целевое утверждение. Цикл работы экспертной системы иначе называется логическим выводом. Логический вывод может происходить многими способами, из которых наиболее распространенные - прямой порядок вывода и обратный порядок вывода.

Прямой порядок вывода - от фактов, которые находятся в рабочем множестве, к заключению. Если такое заключение удается найти, то оно заносится в рабочее множество. Прямой вывод часто называют выводом, управляемым данными.

Обратный порядок вывода - заключения просматриваются до тех пор, пока не будут обнаружены в рабочей памяти или получены от пользователя факты, подтверждающие одно из них. В системах с обратным выводом вначале выдвигается некоторая гипотеза, а затем механизм вывода в процессе работы, как бы возвращается назад, переходя от нее к фактам, и пытается найти среди них те, которые подтверждают эту гипотезу. Если она оказалась правильной, то выбирается следующая гипотеза, детализирующая первую являющуюся по отношению к ней подцелью. Далее отыскиваются факты, подтверждающие истинность подчиненной гипотезы. Вывод такого типа называется управляемыми целями. Обратный поиск применяется в тех случаях, когда цели известны и их сравнительно немного.

Поскольку системы, основанные на знаниях, реализуются на персональных компьютерах, то и входная информация должна восприниматься в виде, понятном компьютеру. Однако для того чтобы с ЭС мог взаимодействовать неподготовленный пользователь, в нее требуется включить средства общения на естественном языке. Подавляющее большинство систем, основанных на знаниях, обладают интерфейсом на естественном языке. Допустимые входные сообщения пользователя содержать в базе знаний.

В ходе консультации инициатива диалога принадлежит системе, а сама консультация у ЭС выглядит так же, как и консультация у эксперта - человека, - задается ряд вопросов и на основании их анализа выдается экспертное заключение.

ПРИМЕР 1:

Предметная область: МЕДИЦИНА

Краткое описание предметной области:

Диагностика заболевания гортани, а именно: ларингит острый, ларингит хронический катаральный, ларингит хронический гипертрофический, ларингит хронический атрофический.

У каждой болезни имеется набор признаков или симптомов.

Для удобства анализа предметной области данные сведены в таблицу.

1. В ней столбцы обозначены названиями болезней, а строки - названиями симптомов. На пересечении соответствующих столбцов и строк стоит знак "+", если симптом действительно принадлежит исследуемой болезни. Одни и те же симптомы могут являться признаками одной и той же болезни, поэтому некоторые из них (симптомов) перекрываются.

Таблица 1 Описание предметной области ЭС

Симптом (атрибут)

Болезнь (объект)

Ларингит острый

Ларингит хронический катаральный

Ларингит хронический гипертрофический

Ларингит хронический атрофический

1. общее недомогание

+

+

+

+

2. сухость першение, саднение

+

+

+

3. кашель сначала сухой, затем с мокротой

+

4. голос хриплый или беззвучный

+

+

+

5. иногда боль при глотании

+

6. головная боль

+

7. повышение температуры тела

+

8. быстрая утомляемость голоса

+

9. периодический кашель с мокротой

+

10. охриплость с афонией

+

11. ощущение неловкости

+

12. жжение в горле

+

13. кашель при обострении

+

14. сухой кашель

+

15. слизистая покрыта густой слизью

+

16. откашливание с прожилками крови

+

ПРИМЕР 2:

Пусть необходимо построить дерево для распознавания фруктов.

    1. Выявление объектов (решений) предметной области: "Грейпфрут", "Апельсин", "Яблоко", "Банан", "Груша". 2. Определение атрибутов (свойств) объектов: "Форма", "Запах", "Цвет", "Вкус", "Кожура", "Зерна", "Очищать надо?". 3. Определение атрибутов(характерных свойств) для каждого объекта.

Таблица 2 Описание предметной области ЭС

4. Построение оптимального дерева решений.

Оптимальное дерево решений подразумевает не повторяющуюся ветвлений последовательность атрибутов и минимальный размер уровней и ветвлений.

Рис.2 Дерево вывода ЭС

Похожие статьи




Лабораторная работа №1, Цель работы, Теоретическое введение - Интеллектуальные информационные системы

Предыдущая | Следующая