Лекция Экспертные системы

Экспертные системы

это направление исследований в области искусственного интеллекта по созданию вычислительных систем, умеющих принимать решения, схожие с решениями экспертов в заданной предметной области.

Как правило, экспертные системы создаются для решения практических задач в некоторых узкоспециализированных областях, где большую роль играют знания «бывалых» специалистов. Экспертные системы были первыми разработками, которые смогли привлечь большое внимание к результатам исследований в области искусственного интеллекта.

Экспертные системы имеют одно большое отличие от других систем искусственного интеллекта: они не предназначены для решения каких-то универсальных задач, как например нейронные сети или генетические алгоритмы. Экспертные системы предназначены для качественного решения задач в определенной разработчиками области, в редких случаях – областях.

Экспертное знание – это сочетание теоретического понимания проблемы и практических навыков ее решения, эффективность которых доказана в результате практической деятельности экспертов в данной области. Фундаментом экспертной системы любого типа является база знаний, которая составляется на основе экспертных знаний специалистов. Правильно выбранный эксперт и удачная формализация его знаний позволяет наделить экспертную систему уникальными и ценными знаниями. Врач, к примеру, хорошо диагностирует болезни и эффективно назначает лечение, не потому, что он обладает некими врожденными способностями, а потому что имеет качественное медицинское образование и большой опыт в лечении своих пациентов. Поэтому ценность всей экспертной системы как законченного продукта на 90% определяется качеством созданной базы знаний.

Экспертная система – это не простая программа, которая пишется одним или несколькими программистами.

Экспертная система

является плодом совместной работы экспертов в данной предметной области, инженеров по знаниям и программистов.

Но стоит отметить, что встречаются случаи, когда программы пишутся самими экспертами в данной области.

Эксперт предоставляет необходимые знания о тщательно отобранных примерах проблем и путей их решения. Например, при создании экспертной системы диагностики заболеваний врач рассказывает инженеру по знаниям об известных ему заболеваниях. Далее эксперт раскрывает список симптомов, которые сопровождают каждое заболевание и в заключение рассказывает об известных ему методах лечения. Инженер по знаниям, формализует всю полученную информацию в виде базы знаний и помогает программисту в написании экспертной системы.

Первую экспертную систему, которую назвали Dendral, разработали в Стэнфорде в конце 1960-х г.г. Эта была экспертная система, определяющая строение органических молекул по химическим формулам и спектрографическим данным о химических связях в молекулах. Ценность Dendral заключалась в следующем. Органические молекулы, как правило, очень велики и поэтому число возможных структур этих молекул также велико. Благодаря

1

эвристическим знаниям экспертов-химиков, заложенных в экспертную систему, правильное решение из миллиона возможных находилось всего за несколько попыток. Принципы и идеи, заложенные в Dendral оказались настолько эффективными, что они до сих пор применяются в химических и фармацевтических лабораториях по всему миру.

Экспертная система Dendral одной из первых использовала эвристические знания специалистов для достижения уровня эксперта в решении задач, однако методика современных экспертных систем связана с другой разработкой – Myсin. В ней использовались знания экспертов медицины для диагностики и лечения специального менингита и бактериальных инфекций крови.

Экспертная система Mycin, разработанная в том же Стэнфорде в середине 1970-х г.г., одной из первых обратилась к проблеме принятия решений на основе ненадежной или недостаточной информации. Все рассуждения экспертной системы Mycin были основаны на принципах управляющей логики, соответствующих специфике предметной области. Многие методики разработки экспертных систем, использующиеся сегодня, были впервые разработаны в рамках проекта Mycin.

Коротко и понятно об экспертных системах

Система является интеллектуальной, если она обладает знаниями и умеет использовать их для достижения сформулированной цели. Знания – это то, без чего нет интеллектуальной системы. Экспертные системы явились первыми действительно интеллектуальными системами и, в конечном счете, интеллектуальность определила их коммерческий успех.

Разработки универсальных программ, использующих общие методы решения широкого класса задач, существенных практических результатов не принесли, но появилось понимание крайней ограниченности применения формально-математических методов в этой области. В 70-е годы была разработана и принята принципиально новая концепция: чтобы сделать систему интеллектуальной, ее нужно снабдить множеством высококачественных специальных знаний о некоторой предметной области. Процесс создания экспертных систем на первых этапах заключается в специфическом взаимодействии эксперта (экспертов) и инженера по знаниям с целью «извлечения» из эксперта и встраивания в систему процедур, стратегий эмпирических правил, которые он использует для решения задач.

Эксперт – это человек, который благодаря обучению и опыту может делать то, что мы все, остальные люди делать не умеем; эксперты работают не просто профессионально, но быстро и эффективно. Они хорошо умеют распознавать в проблемах, с которыми сталкиваются, примеры тех типовых проблем, с которыми они уже знакомы. Очень важно подчеркнуть, что эксперт должен не только знать, но и уметь. Именно этим свойством отличаются базы данных от баз знаний – базы знаний активны.

Экспертные системы как отдельное направление выделилось из общего русла исследований по искусственному интеллекту в начале 80-х г.г. Основным предметом исследований нового направления являются знания – их приобретение, представление и использование. Специалисты, работающие в этой области все чаще используют для ее наименования термин «инженерия знаний».

Очень значимым отличием экспертных систем от классических программ, работа которых основана на точных данных является то, что экспертные системы могут ошибаться. Причина ошибок лежит в том, что знания специалистов, как и знания, заложенные в экспертные системы, не точны. Важно, по крайней мере, чтобы экспертные системы ошибались не чаще, чем ошибается человек-эксперт.

2

Т.о. можно сформулировать следующее определение экспертной системы. Экспертная система – это вычислительная система, в которую включены знания специалистов о некоторой узкой предметной области в форме базы знаний. Экспертные системы должны уметь принимать решения вместо специалиста в заданной предметной области.

Характерными чертами экспертной системы являются:

четкая ограниченность предметной области;

способность принимать решения в условиях неопределенности;

способность объяснять ход и результат решения понятным для пользователя способом;

четкое разделение декларативных и процедурных знаний (фактов и механизмов вывода);

способность пополнять базу знаний, возможность наращивания системы;

результат выдается в виде конкретных рекомендаций для действий в сложившейся ситуации, не уступающих решениям лучших специалистов;

ориентация на решение неформализованных (способ формализации пока неизвестен) задач;

алгоритм решения не описывается заранее, а строится самой экспертной системой;

отсутствие гарантии нахождения оптимального решения с возможностью учиться на

ошибках.

Экспертные системы применяются для решения только трудных практических (не игрушечных) задач. По качеству и эффективности решения экспертные системы не уступают решениям эксперта-человека. Решения экспертных систем обладают прозрачностью, т.е. могут, быть объяснены пользователю на качественном уровне (в отличие от решений, полученных с помощью числовых алгоритмов, и в особенности от решений полученных статистическими методами). Это качество экспертных систем обеспечивается их способностью рассуждать о своих знаниях и умозаключениях. Экспертные системы способны пополнять свои знания в ходе взаимодействия с экспертом. Необходимо отметить, что в настоящее время технология экспертных систем используется для решения различных типов задач (интерпретация, предсказание, диагностика, планирование, конструирование, контроль, отладка, инструктаж, управление) в самых разнообразных проблемных областях, таких, как финансы, нефтяная и газовая промышленность, энергетика, транспорт, фармацевтическое производство, космос, металлургия, горное дело, химия, образование, целлюлозно-бумажная промышленность, телекоммуникации и связь и др.

Особенности экспертных систем

Особенности экспертных систем, отличающие их от обычных программ, заключаются в том, что они должны обладать следующими качествами.

1.Компетентностью, а именно:

достигать экспертного уровня решений, т.е. в конкретной предметной области иметь тот же уровень профессионализма, что и эксперты-люди;

быть умелой, т.е. применять знания эффективно и быстро, избегая, как и люди, ненужных вычислений;

иметь адекватную робастность, т.е. способность лишь постепенно снижать качество работы по мере приближения к границам диапазона компетентности или допустимой надѐжности данных.

2.Возможностью к символьным рассуждениям, а именно:

представлять знания в символьном виде;

3

переформулировать символьные знания. На языке искусственного интеллекта символ

– это строка знаков, соответствующая содержанию некоторого понятия. Символы объединяют, чтобы выразить отношения между ними. Когда отношения представлены в экспертной системе они называются символьными структурами.

3.Глубиной, а именно:

работать в предметной области, содержащей трудные задачи;

использовать сложные правила, т.е. использовать либо сложные конструкции правил, либо большое их количество.

4.Самосознанием, а именно:

исследовать свои рассуждения, т.е. проверять их правильность;

объяснять свои действия.

Существует ещѐ одна важная особенность экспертных систем. Если обычные программы разрабатываются так, чтобы каждый раз порождать правильный результат, то экспертные системы разработаны с тем, чтобы вести себя как эксперты. Они, как правило, дают правильные ответы, но иногда, как и люди, способны ошибаться.

Преимущества экспертных систем перед человеком-экспертом

Возникает вопрос: «Зачем разрабатывать экспертные системы? И не лучше ли обратиться к человеческому опыту, как это было в прошлом?». Отметим лишь основные преимущества, которые даѐт использование экспертных систем. Преимуществом искусственной компетенции являются следующие качества.

1. Постоянство

Человеческая компетенция ослабевает со временем. Перерыв в деятельности человекаэксперта может серьѐзно отразиться на его профессиональных качествах.

2. Лѐгкость передачи

Передача знаний от одного человека другому – долгий и дорогой процесс. Передача искусственной информации – это простой процесс копирования программы или файла данных.

3. Устойчивость и воспроизводимость результатов

Экспертные системы устойчивы к «помехам». Человек же легко поддается влиянию внешних факторов, которые непосредственно не связаны с решаемой задачей. Эксперт-человек может принимать в тождественных ситуациях разные решения из-за эмоциональных факторов. Результаты экспертной системы – стабильны.

4. Стоимость

Эксперты, особенно высококвалифицированные обходятся очень дорого. Экспертные системы, наоборот, сравнительно недороги. Их разработка дорога, но они дѐшевы в эксплуатации.

Вместе с тем разработка экспертной системы не позволяет полностью отказаться от эксперта-человека. Хотя экспертная система хорошо справляется со своей работой, тем не менее, в определѐнных областях человеческая компетенция явно превосходит искусственную. Однако и в этих случаях экспертная система может позволить отказаться от услуг высококвалифицированного эксперта, оставив эксперта средней квалификации, используя при этом экспертную систему для усиления и расширения его профессиональных возможностей.

На сегодняшний день создано уже большое количество экспертных систем. С помощью них решается широкий круг задач, но исключительно в узкоспециализированных предметных областях. Как правило, эти области хорошо изучены и располагают более менее четкими стратегиями принятия решений. Сейчас развитие экспертных систем несколько приостановилось, и этому есть ряд причин:

4

Передача экспертным системам «глубоких» знаний о предметной области является большой проблемой. Как правило, это является следствием сложности формализации эвристических знаний экспертов.

Экспертные системы неспособны предоставить осмысленные объяснения своих рассуждений, как это делает человек. Как правило, экспертные системы всего лишь описывают последовательность шагов, предпринятых в процессе поиска решения.

Отладка и тестирование любой компьютерной программы является достаточно трудоемким делом, но проверять экспертные системы особенно тяжело. Это является серьезной проблемой, поскольку экспертные системы применяются в таких критичных областях, как управление воздушным и железнодорожным движением, системами оружия и в ядерной промышленности.

Экспертные системы обладают еще одним большим недостатком: они неспособны к самообучению. Для того, чтобы поддерживать экспертные системы в актуальном состоянии необходимо постоянное вмешательство в базу знаний инженеров по знаниям. Экспертные системы, лишенные поддержки со стороны разработчиков, быстро теряют свою востребованность.

Взаключение стоит отметить, что несмотря на все эти ограничения и недостатки, экспертные системы уже доказали всю свою ценность и значимость во многих важных приложениях.

Контрольные вопросы по теме «Экспертные системы»:

1.Что такое ЭС?

2.Для каких областей знаний создаются ЭС?

3.Чем ЭС отличаются от других систем искусственного интеллекта?

4.Что является фундаментом любой ЭС?

5.Приведите примеры существующих ЭС?

6.Кто такие эксперты?

7.Дайте определение ЭС.

8.Перечислите характерные черты ЭС?

9.Перечислите особенности ЭС.

10.Преимущества экспертных систем перед человеком-экспертом?

11.Какие причины тормозят развитие ЭС?

5