дб. Четвертое издание джозеф Джарратано Университет Хьюстон клиэрЛэйк Гари Райли People5oft, Издательский дом "Вильямс" Москва СанктПетербург Киев 2007 ббк 32. 973. 26 018 75 Д
 Скачать 3.73 Mb.
|
|
применяемые в наше время в составе программного обеспечения популярных компьютерных текстовых приключенческих игр, обнаруживают потрясающие способности к пониманию естественного языка, что необходимо для ведения таких игр с несколькими игроками в локальной сети, в которых использование ввода данных с клавиатуры привело бык замедлению игры. Экспертные системы применяются в сочетании с базами данных для обеспечения распознавания образов по такому же принципу, как это делает человек, и с автоматизированными системами принятия решений для обеспечения выявления знаний с помощью анализа скрытых закономерностей в данных и создания таким образом интеллектуальной базы данных [9]. Одной из важных областей использования систем распознавания образов являются системы безопасности аэропортов, в которых применяются средства распознавания лиц потенциальных. Определение понятия экспертной системы подозреваемых в качестве внешнего интерфейса к экспертной системе. В свою очередь, экспертная система, получив сведения об обнаружении потенциального подозреваемого, определяет, оправдан ли переход к таким дальнейшим действиям, как передача сообщения об этом ответственным за безопасность в аэропорту. Еще одной интересной областью искусственного интеллекта является создание искусственных систем совершения открытий. Такие системы представляют собой компьютерные программы, которые действительно способны обнаруживать знания в определенных предметных областях. Например, программа АМ (Automated Mathematician автоматизированный математик) открыла несколько новых математических теорем и повторно совершила открытие, ранее сделанное людьми, которое касается значимости для математики простых чисел. Система совершения открытий 3 получила новые научные знания, такие как одна из версий третьего закона планетарного движения Кеплера общие сведения о многих системах совершения открытий приведены в. В ХХ веке искусственный интеллект был первоначально определен как отрасль компьютерных наук, но теперь он рассматривается как отдельная дисциплина, которая совмещается с многими научными областями, такими как компьютерная наука, психология, биология, неврология и т.д., поэтому все большее число университетов предоставляют возможность защитить научную степень в области искусственного интеллекта. На рис. 1.1 показаны некоторые области, представляющие интерес для искусственного интеллекта. Область экспертных систем представляет собой очень успешное приближенное решение классической задачи ИИ — программирование интеллекта. Профессор Эдвард Фейгенбаум из Станфордского университета, один из первых исследователей технологии экспертных систем, определил понятие экспертной системы как "... интеллектуальной компьютерной программы, в которой используются знания и процедуры логического вывода для решения задач, достаточно трудных для того, чтобы требовать для своего решения значительного объема экспертных знаний человека. Таким образом, экспертная система — это компьютерная система, которая эмулирует способности эксперта к принятию решений. Термин эмулирует означает, что экспертная система обязана действовать во всех отношениях как эксперт-человек. Понятие эмуляции является гораздо более строгим, чем моделирование, поскольку моделирующая система обязана действовать подобно реальному объекту лишь в определенных отношениях. Безусловно, еще не удалось создать такую систему, которая могла бы применяться в качестве универсального решателя задач, но экспертные системы действуют в своих ограниченных областях приложения весьма успешно. В качестве доказательства их успеха достаточно лишь отметить, как много приложений экспертных систем существует в наши дни в бизнесе, медицине, науке и технике и как много книг, журналов, конференций и программных продуктов посвящено 34 Глава 1. Введение в экспертные системы Рис. Некоторые области искусственного интеллекта экспертным системам. Некоторые сведения по этой теме приведены в приложении Ж. В экспертных системах для решения задач на уровне эксперта-человека широко используются специализированные знания. Термином эксперт обозначается личность, обладающая экспертными знаниями в определенной области. Это означает, что эксперт имеет знания или специальные навыки, которые неизвестны или недоступны для большинства людей. Эксперт способен решать задачи, которые большинство людей неспособны решить вообще, или решает их гораздо более эффективно (ноне обязательно требует меньшую оплату по сравнению с обычными людьми. После того как были впервые разработаны экспертные системы, они содержали исключительно только экспертные знания. Однако в наши дни термин экспертная система часто применяется по отношению к любой системе, в которой используется технология экспертных систем. Технология экспертных систем может включать специальные языки экспертных система также программные и аппаратные средства, предназначенные для обеспечения разработки и эксплуатации экспертных систем. В качестве знаний в экспертных системах могут применяться либо экспертные знания, либо обычные общедоступные знания, которые могут быть получены 1.2. Определение понятия экспертной системы 35 из книг, журналов и от хорошо осведомленных людей. В этом смысле обычные знания рассматриваются как понятие более низкого уровня по сравнению с более редкими экспертными знаниями. Термины экспертная система, система, основанная на знаниях, и экспертная система, основанная на знаниях, часто используются как синонимы. Но большинство людей используют только термин экспертная система, просто потому, что он короче, даже несмотря на то, что в экспертной системе, о которой идет речь, могут быть представлены не экспертные, а всего лишь обычные знания. Принципы работы экспертной системы, основанной на знаниях, иллюстрируются на рис. Пользователь передает в экспертную систему факты или другую информацию и получает в качестве результата экспертный совет или экспертные знания. По своей структуре экспертная система подразделяется на два основных компонента — базу знаний и машину логического вывода. База знаний содержит знания, на основании которых машина логического вывода формирует заключения. Эти заключения представляют собой ответы экспертной системы на запросы пользователя, желающего получить экспертные знания. Рис. 1.2. Основные принципы функционирования экспертной системы Кроме того, разработаны полезные системы, основанные на знаниях которые предназначены для использования в качестве интеллектуального помощника для эксперта-человека. Эти интеллектуальные помощники проектируются на основе технологии экспертных систем, поскольку такая технология обеспечивает значительные преимущества при разработке. Чем больше знаний будет введено в базу знаний интеллектуального помощника, тем в большей степени его действия будут напоминать действия эксперта. Разработка интеллектуального помощника может стать полезным промежуточным шагом перед созданием полноценной экспертной системы. К тому же интеллектуальный помощник позволяет освободить для эксперта больше полезного времени, поскольку его применение способствует уско- 36 Глава 1. Введение в экспертные системы Рис. 1.3. Связь между предметной областью и областью знаний ренному решению задач. Еще одним приложением искусственного интеллекта являются интеллектуальные обучающие программы. В отличие от старых систем компьютеризированного обучения, интеллектуальные обучающие программы способны предоставлять учащемуся инструкции, зависящие от контекста. Знания эксперта относятся только к одной предметной области, ив этом состоит отличие методов, основанных на использовании экспертных систем, от общих методов решения задач. Предметная область — это специальная проблемная область, такая как медицина, финансы, наука и техника, в которой может очень хорошо решать задачи лишь определенный эксперт. Экспертные системы, как и эксперты- люди, в целом предназначены для использования в качестве экспертов водной предметной области. Например, обычно нельзя рассчитывать на то, что эксперт в области шахмат будет обладать экспертными знаниями, относящимися к медицине. Экспертные знания водной предметной области не переносятся автоматически на другую область. Знания эксперта, касающиеся решения конкретных задач, называются областью знаний эксперта. Например, медицинская экспертная система, предназначенная для диагностирования инфекционных заболеваний, должна обладать большим объемом знаний об определенных симптомах, вызванных инфекционными заболеваниями. В этом случае областью знаний является медицина, асами знания состоят из сведений о заболеваниях, симптомах и методах лечения. Связь между предметной областью и областью знаний показана на рис. 1.3. Обратите внимание на то, что на данном рисунке область знаний полностью включена в предметную область. Часть, выходящая за пределы области знаний, символизирует область, в которой отсутствуют знания о какой-либо из задач, относящихся к данной предметной области. Определение понятия экспертной системы 37 Таблица Различные взгляды на некоторую технологию Заинтересованное лицо Вопрос Для чего я могу ее использовать Как я могу ее реализовать лучше всего Как я могу ее развить Позволит ли она сэкономить для меня время или деньги Руководитель Технолог Исследователь Потребитель Могу ли я сократить потребность в рабочей силе Как она повлияет на ежеквартальную прибыль Владелец делового предприятия Биржевой маклер В какой-либо конкретной экспертной системе, например, в системе диагностирования инфекционных заболеваний, обычно отсутствуют знания, относящиеся к другим областям, например, в данном случае к такой области медицины, как хирургия или педиатрия. Экспертная система может обладать знаниями об инфекционных заболеваниях, равными или превышающими знания отдельно взятого эксперта- человека, но эта экспертная система может не иметь никаких сведений из других областей знаний, если в нее не будут введены знания, относящиеся к одной из этих проблемных областей. В области знаний, сведениями из которой располагает экспертная система, эта экспертная система проводит рассуждения или делает логические выводы по такому же принципу, как рассуждал бы эксперт-человек или приходил логическим путем к решению задачи. Это означает, что на основании определенных фактов путем рассуждений формируется логичное, оправданное заключение, которое следует из этих фактов. Например, если ваш близкий родственник не разговаривал с вами месяц, вы могли бы прийти к выводу, что ему просто нечего вам сказать. Но это лишь один из нескольких возможных логических выводов. Как и по отношению к любой другой технологии, существует много способов оценки полезности технологии экспертных систем. В табл. 1.1 показано, как оценивают некоторую технологию со своей точки зрения разные категории людей, имеющих к ней отношение. В этой таблице в качестве технолога может рассматриваться инженер или разработчик программа в качестве технологии может рассматриваться аппаратное или программное обеспечение. В процессе решения любой задачи необходимо найти ответы на некоторые вопросы, так как в противном случае будет отсутствовать возможность успешного применения данной технологии. Кроме того, экспертные системы, как и любые другие инструментальные средства, могут иметь подходящие или неподходящие области применения. Проблема выбора подходящих областей применения для экспертных систем рассматривается более подробно в главе 6. 38 Глава 1. Введение в экспертные системы Преимущества экспертных систем Как описано ниже, экспертные системы обладают многими привлекательными особенностями. Повышенная доступность. Для обеспечения доступа к экспертным знаниям могут применяться любые подходящие компьютерные аппаратные средства. В определенном смысле вполне оправдано утверждение, что экспертная система — это средство массового производства экспертных знаний. Уменьшенные издержки. Стоимость предоставления экспертных знаний в расчете на отдельного пользователя существенно снижается. Уменьшенная опасность. Экспертные системы могут использоваться в таких вариантах среды, которые могут оказаться опасными для человека. Постоянство. Экспертные знания никуда не исчезают. В отличие от экспертов-людей, которые могут уйти на пенсию, уволиться с работы или умереть, знания экспертной системы сохраняются в течение неопределенно долгого времени. Возможность получения экспертных знаний из многих источников. С помощью экспертных систем могут быть собраны знания многих экспертов и привлечены к работе над задачей, выполняемой одновременно и непрерывно, в любое время дня и ночи. Уровень экспертных знаний, скомбинированных путем объединения знаний нескольких экспертов, может превышать уровень знаний отдельно взятого эксперта-человека. Повышенная надежность. Применение экспертных систем позволяет повысить степень доверия к тому, что принято правильное решение, путем предоставления еще одного обоснованного мнения эксперту-человеку или посреднику при разрешении несогласованных мнений между несколькими экспертами-людьми. (Разумеется, такой метод разрешения несогласованных мнений не может использоваться, если экспертная система запрограммирована одним из экспертов, участвующих в столкновении мнений) Решение экспертной системы должно всегда совпадать с решением эксперта; несовпадение может быть вызвано только ошибкой, допущенной экспертом, что может произойти, только если эксперт-человек устал или находится в состоянии стресса. Объяснение. Экспертная система способна подробно объяснить свои рассуждения, которые привели к определенному заключению. А человек может оказаться слишком усталым, несклонным к объяснениям или неспособным делать это постоянно. Возможность получить объяснение способствует повышению доверия к тому, что было принято правильное решение. Быстрый отклик. Для некоторых приложений может потребоваться быстрый отклик или отклик в реальном времени. В зависимости от используе- 1.4. Общие понятия экспертных систем 39 мого аппаратного и программного обеспечения экспертная система может реагировать быстрее и быть более готовой к работе, чем эксперт-человек. В некоторых экстремальных ситуациях может потребоваться более быстрая реакция, чему человека в таком случае приемлемым вариантом становится применение экспертной системы, действующей в реальном времени. Неизменно правильный, лишенный эмоций и полный ответ при любых обстоятельствах. Такое свойство может оказаться очень важным в реальном времени ив экстремальных ситуациях, когда эксперт-человек может оказаться неспособным действовать с максимальной эффективностью из-за воздействия стресса или усталости. ° Возможность применения в качестве интеллектуальной обучающей программы. Экспертная система может действовать в качестве интеллектуальной обучающей программы, передавая учащемуся на выполнение примеры программ и объясняя, на чем основаны рассуждения системы. 1.4 Общие понятия экспертных систем Знания могут быть представлены в экспертной системы многими способами. Одним из широко применяемых методов представления знаний являются правила в форме IF THEN, как показано ниже. IF горит красный свет стоять Если обнаруживается факт, что на светофоре горит красный свет, то этот факт согласуется с шаблоном "на светофоре горит красный свет. Условие правила удовлетворяется и выполняется обусловленное в нем действие "стоять. Хотя этот пример с виду кажется очень простым, создано много важных экспертных систем, основанных на представлении знаний экспертов в виде правил. В действительности подход к разработке экспертных систем, основанный на знаниях, полностью вытеснил применявшийся ранее (в 1950 — х гг.) подход к созданию ° Возможность применения в качестве интеллектуальной базы данных. Экспертные системы могут использоваться для доступа к базам данных с помощью интеллектуального способа доступа. В качестве примера можно привести анализ скрытых закономерностей в данных. Кроме того, процесс разработки экспертной системы приносит и косвенное преимущество, так как знания экспертов-людей должны быть предварительно преобразованы в явную форму для ввода в компьютер. Поскольку знания затем становятся явно известными, а не присутствуют неявно в мозгу эксперта, появляется возможность проверять знания на правильность, непротиворечивость и полноту. После такой проверки, возможно, придется откорректировать эти знания (за что эксперт вряд ли будет признателен Глава 1. Введение в экспертные системы искусственного интеллекта, в котором предпринимались попытки использовать сложные методы формирования рассуждений без опоры на знания. В инструментальных средствах экспертных систем некоторых типов, таких как CLIPS, допускается применение не только правил, но и обьектов. Знания могут быть представлены ив правилах, ив объектах. С условиями правил могут согласовываться не только факты, но и объекты. Еще один вариант состоит в том, что объекты могут применяться независимо отправил. Первым успешным коммерческим применением экспертных систем стало создание системы в компании Digital Equipment Corporation. Оказалось, что эта система обладает намного более широкими знаниями о том, как следует создавать конфигурации компьютерных систем, по сравнению с любым отдельно взятым экспертом-человеком. С тех пор экспертные системы снова и снова демонстрировали свою важность и полезность. Было создано много небольших систем для решения специализированных задач с несколькими сотнями правил. Такие небольшие системы могут не оперировать на уровне эксперта, нов принципе позволяют воспользоваться преимуществами технологии экспертных систем для решения задач, требующих большого объема знаний. Знания, необходимые для подобных небольших систем, могут быть взяты из книг, журналов или любой другой общедоступной документации. В отличие от этого классическая экспертная система воплощает в себе неписанные знания, которые должны быть получены от эксперта с помощью обширных интервью, проводимых инженером познаниям в течение длительного периода времени. Такой процесс создания экспертной системы называется инженерией знаний и осуществляется инженером познаниям. Инженерией знаний называют получение знаний от эксперта-человека или из других источников и последующее представление знаний в экспертной системе. Основные этапы разработки экспертной системы показаны на рис. 1.4. Вначале инженер познаниям устанавливает диалог с экспертом-человеком, чтобы выявить знания эксперта. Этот этап аналогичен этапу работы, |