6.6. Экспертные системы
Экспертная система (ЭС) – это интеллектуальная вычислительная система, в которую включены знания опытных специалистов (экспертов) о некоторой предметной области (финансы, медицина, право, геология, страхование, поиск неисправностей в радиоэлектронной аппаратуре и т. д.). ЭС в пределах определенной предметной области способна принимать экспертные решения (давать советы, ставить диагноз).
ЭС позволяет накапливать, систематизировать и сохранять знания, профессиональный опыт тех экспертов, которые решают конкретные задачи наилучшим образом. Накопленные в ЭС знания могут быть использованы на практике неограниченное число раз.
Работа экспертных систем основана на алгоритмах искусственного интеллекта и предполагает использование информации, заранее полученной от специалистов-экспертов. Таким образом, экспертная система – это электронный эксперт (советник), помощник.
ЭС используются там, где нет твердо устоявшейся теории, в тех предметных областях, где слишком много переменных величин (факторов, показателей, симптомов), затрудняющих создание полной теории, точной математической модели. В этих предметных областях искусные практики при решении задач опираются на свой опыт, навыки и интуицию.
Ниже приведена структурная схема экспертной системы.
С помощью редактора базы знаний эксперт (специалист в данной предметной области) наполняет базу знаний (как бы передает ей свои знания, умения, навыки). При создании ЭС наиболее трудоемким и трудно формализуемым этапом является процедура заполнения базы знаний сведениями, необходимыми для ее работы. Базы знаний могут включать несколько десятков тысяч правил. В создании таких баз знаний экспертам оказывают помощь инженеры по знаниям – когнитологи.
С помощью интерфейса пользователя происходит общение с ЭС лиц, нуждающихся в консультации электронного эксперта. Пользователи обращаются к ЭС за советом по специальным проблемам в узкой предметной области, предоставляя ей специфические факты и свои гипотезы.
База знаний (БЗ) представляет собой совокупность знаний по данной предметной области, почерпнутых из публикаций, а также введенных в процессе взаимодействия эксперта (или нескольких экспертов) с экспертной системой.
Решатель (другое название – машина логического вывода) – это программа, моделирующая (имитирующая) ход рассуждений эксперта на основании знаний, имеющихся в БЗ, и данных, введенных пользователем.
Решатель – это «мозг» ЭС. С помощью решателя обрабатываются введенные данные и делаются соответствующие выводы.
Подсистема объяснений – программа, позволяющая продемонстрировать, каким образом получен результат, т. е. показать цепочку рассуждений электронного эксперта. Подсистема объяснений облегчает когнитологу выявление ошибок и модернизацию ЭС.
В описанной выше структуре ЭС знания отделены от алгоритма обработки знаний. Такое разделение удобно по следующим причинам. Содержание базы знаний зависит от конкретной предметной области. С другой стороны, пользовательский интерфейс, решатель, редактор базы знаний, подсистема объяснений (иногда эти блоки называются оболочкой) независимы от предметной области. Таким образом, разумный способ разработки экспертной системы, предназначенной для нескольких приложений, состоит в создании универсальной оболочки. В такой ЭС для каждого нового приложения достаточно наполнить базу знаний специфическими сведениями.
Примером подобной ЭС (оболочки) является EMYCIN (Empty MYCIN – пустой MYCIN).
База знаний содержит факты и правила. Факты являются краткосрочной информацией и могут изменяться в процессе консультаций. Правила представляют более долговременную информацию о том, как порождать новые факты или гипотезы. Правила могут быть эвристическими (опытными) по природе, генерирующими скорее правдоподобный совет, чем достоверный факт.
Знания, полученные из опыта и по интуиции, в терминологии экспертных систем называют эвристиками. База знаний может также включать в себя метазнание, т. е. знание о знании (о том, как мыслит эксперт). В отличие от обычной базы данных, в базе знаний хранятся не только факты, но и правила, которые позволяют вывести новые факты.
Решатель (машина логического вывода) обеспечивает «рассуждающую способность», которая дает возможность экспертной системе формировать выводы, давать советы. Машина логического вывода может использовать различные стратегии поиска: прямой поиск от «фактов к цели» и обратный поиск от «цели к фактам». В первом случае ЭВМ ищет пути от исходного состояния проблемы к цели (т. е. к выводу или совету). Во втором случае, начав с цели (результата), ЭВМ пытается доказать (или опровергнуть) истинность результата.
Рассмотрим особенности экспертных систем.
1. ЭС ограничена определенной предметной областью.
2. ЭС способна рассуждать при сомнительных исходных данных.
3. ЭС способна объяснить цепочку сделанных ею рассуждений.
4. Факты и механизм (программа) формирования выводов четко отделены друг от друга.
5. ЭС строится так, чтобы имелась возможность постепенного ее наращивания (расширения) и модернизации.
6. В результате работы ЭС формируется диагноз, рекомендация, совет, как нужно поступать в конкретной ситуации, или предположение о том, что произошло с исследуемым объектом.
Экспертные системы имитируют процессы принятия решения людьми-экспертами и в состоянии компетентно решать сложные проблемы. Кратко опишем некоторые ЭС, что позволит еще раз наглядно представить сферы использования «электронных советников».
Экспертная система MYCIN (Стэндфордский университет) – одна из первых и наиболее известных ЭС, разработана в середине 70-х годов XX столетия. Система предназначена для диагностики инфекционных заболеваний.
В 1975 г. в Гейдельбергском и Дармштадтском университетах была разработана одна из первых юридических ЭС – JUDITH, позволявшая юристам получать экспертные заключения по гражданским делам.
Экспертная система INTERNIST диагностирует несколько сотен болезней с точностью, которая сопоставима с точностью диагноза, сделанного квалифицированным врачом.
PROSPECTOR – экспертная система, которая помогает геологам в поиске новых полезных ископаемых. На основании информации, введенной в ЭВМ с географических карт, из обзоров и ответов на вопросы, которые задаются геологам, PROSPECTOR предсказывает местоположение новых залежей. Использование этой системы позволило обнаружить залежи молибдена в Британской Колумбии.
Система TIMM (разработчик General Research) оказывает помощь военному пилоту вертолета во время боевых действий.
Экспертная система Management Advisor (консультант менеджера) разработана фирмой Paladin Software, Inc. в 1986 г. Система помогает руководителю в планировании своей коммерческой деятельности.
Система XCON (Carnegie-Melon University) предназначена для определения конфигурации компьютеров при их продаже. Покупатель заказывает ЭВМ с определенными характеристиками, а ЭС позволяет оптимально подобрать комплектующие блоки (тип дисплея, объем ОЗУ, тип процессора, тип звуковой карты, объем видеопамяти и т. п.).
Экспертная система EXPERTAX (Coopert and Lybrand) готовит рекомендации ревизорам и налоговым специалистам в подготовке расчетов по налогам и подготовке финансовых деклараций. База знаний отражает опыт свыше 20 экспертов.
Рассмотрим кратко порядок работы с медицинской экспертной системой Интернист (INTERNIST), предназначенной для диагноза болезней. Основная идея работы этой ЭС состоит в следующем. Для каждой болезни эксперты (опытные врачи) заносят в базу знаний характерный набор симптомов. Затем пользователь (например, пациент или молодой врач) вводит конкретные симптомы неизвестной болезни, и ЭС по наибольшему числу совпадений ставит диагноз.
После запуска программы, «начиненной» знаниями опытных врачей, на экране появится Главное меню.
Первоначально в Главном меню выбирается пункт «Ввод симптомов», который позволяет получить доступ к следующему меню.
В меню «Ввод симптомов для интерпретации» последовательно выбираются 25 групп симптомов (глаза, уши, шея, горло и т. д.), с помощью которых впоследствии придется вводить множество симптомов болезней.
Каждый из 25 пунктов этого меню позволяет детально описать признаки болезни каждого органа.
На следующем рисунке показан фрагмент пользовательского интерфейса, с помощью которого пользователь описывает симптомы заболевания дыхательных путей (пункт 22 предыдущего меню).
Открывая каждый из 25 пунктов меню «Ввод симптомов для интерпретации», пользователь заносит в ЭС все симптомы болезни и результаты проведенных анализов, значение температуры, давления и т. д.
После этого в Главном меню выбирается пункт «Анализ симптомов», и ЭС ставит диагноз пациенту, указывая несколько возможных заболеваний в порядке убывания вероятности. Например, как на предыдущем рисунке.
Цифры справа показывают, сколько введенных пользователем признаков совпадают с действительными признаками данной болезни. Естественно, что окончательное решение о характере заболевания будет принимать врач, а ЭС выступает лишь в роли советника, подсказывающего возможные варианты:
При необходимости врач может с помощью пункта Главного меню «Ссылка на заболевание» уточнить признаки каждой болезни, сведения о которой занесены в базу знаний, и при необходимости провести дополнительные обследования.
В будущем портативные ЭС с помощью датчиков будут контролировать самочувствие каждого человека. При необходимости они будут самостоятельно с помощью сотового телефона вызывать неотложную медицинскую помощь.