§ 3.6. Методология разработки экспертных систем

В коллектив разработчиков экспертной системы входят как минимум четыре специалиста (или четыре группы специалистов): эксперт, инженер-когнитолог (инженер по знаниям), программист, пользователь. Возглавляет коллектив инженер-когнитолог — ключевая фигура при разработке систем, основанных на знаниях. Обычно это руководитель проекта, в задачу которого входит организация всего процесса создания экспертной системы. С одной стороны, он должен быть специалистом в области искусственного интеллекта, а с другой — разбираться в предметной области, общаться с экспертом, извлекая и формализуя его знания, передавать их программисту, кодирующему и помещающему их в базу знаний экспертной системы.

Таблица 3.2

Эволюция ЭС

Уровень разработки	Характеристика
Демонстрационный прототип	ЭС решает часть поставленной задачи, указывая тем самым, что подход применим и разработка ЭС осуществлена. База знаний содержит 50-100 правил. Развитие приводят к следующему уровню. Разработка занимает 6...12 месяцев.
Исследовательский прототип	ЭС решает все требуемые задачи, но неустойчива в работе и не полностью проверена. База знаний включает 200-500 правил. Разра­ботка занимает 3... 6 месяцев.
Действующий прототип	ЭС надежно решает все задачи, но для решения сложных задач может потребоваться чрезмерно много времени и (или) памяти. База знаний включает до 500-1000 правил. Время разработки — 6... 12 месяцев.
Промышленный прототип	ЭС обеспечивает высокое качество решений всех задач при минимуме времени и памяти, что достигается переписыванием программ с использованием более совершенных инструментальных средств и языков низкого уровня. База знаний содержит 1000... 1500 правил. Время разработки — 1... 1,5 года.
Коммерческая система	ЭС пригодна не только для собственного использования, но и для продажи различным потребителям. База знаний содержит 1500...3000 правил. Время разработки — 1,5...3 года. Стоимость — 0,3...5 млн. долларов.

Экспертная система работает в двух режимах — приобретения знаний и решения задач или консультаций.

В режиме приобретения знаний происходит формирование базы знаний. В режиме решения задач общение с экспертной системой осуществляет конечный пользователь. Обычно знания, которыми располагает эксперт, различаются степенью надежности, важности, четкости. В этом случае они снабжаются некоторыми весовыми коэффициентами, которые называют коэффициентами доверия. Такие знания обрабатываются с помощью алгоритмов нечеткой математики.

В процессе опытной эксплуатации коэффициенты доверия могут подвергаться корректировке. В этом случае говорят, что происходит обучение экспертной системы. Процесс обучения экспертной системы может производиться автоматически с помощью обучающего алгоритма либо путем вмешательства инженера-когнитолога, выполняющего роль учителя.

Перед разработкой ЭС инженер по знаниям должен определить необходимость такой разработки для данного приложения. Инженер по знаниям - специалист, помогающий эксперту выявить и структурировать знания, необходимые для работы ЭС, осуществляет выбор того инструментального средства, которое наиболее подходит для данной проблемной области и определяет способ представления знаний в этом инструментальном средстве, выделяет и программирует стандартные функции, которые будут использоваться в правилах, вводимых экспертом.

В обобщенном виде ответ может быть таким: использовать ЭС следует тогда, когда разработка ЭС возможна, оправдана и методы инженерии знаний соответствуют решаемой задаче (табл. 3.3).

В настоящее время уже сложилась определенная технология разработки экспертных систем, которая состоит из следующих этапов, схематично изображенных на рис. 3.7.

Идентификация (постановка задачи). На этапе устанавливаются задачи, которые подлежат решению, выявляются цели разработки, требования к экспертной системе, ресурсы, используемые понятия и их взаимосвязи, определяются методы решения задач. Цель этапа — сформулировать задачу, охарактеризовать поддерживающую ее базу знаний и таким образом обеспечить начальный импульс для развития базы знаний.

Концептуализация. Проводится содержательный анализ проблемной области, выявляются используемые понятия и их взаимосвязи, определяются методы решения задач.

Формализация. Определяются способы представления всех видов знаний, формализуются основные понятия, определяются способы интерпретации знаний, оценивается адекватность целям системы зафиксированных понятий, методов решения, средств представления и манипулирования знаниями.

Выполнение. Осуществляется наполнение экспертом базы знаний. Процесс приобретения знаний разделяют на извлечение знаний из эксперта, организацию знаний, обеспечивающую эффективную работу системы, и представление знаний в виде, понятном экспертной системе. Из-за эвристического характера знаний их приобретение является весьма трудоемким.

Таблица 3.3

Требования к разработке и использованию ЭС

Условия	Требования
Разработка ЭС возможна	Существуют эксперты в данной области, которые решают задачу значительно лучше, чем начинающие специалисты. Эксперты должны сходиться в оценке предлагаемого решения, иначе нельзя будет оценить качество разработанной ЭС. Эксперты должны уметь выразить на естественном языке и объяснить используемые ими методы, в противном случае трудно рассчитывать на то, что знания экспертов будут «извлечены» и вложены в ЭС. Задача, возложенная на ЭС, требует только рассуждений, а не действий, задача не должна быть трудной, ее решение должно занимать у экс- перта несколько часов, а не дней и недель. Задача, хотя и не должна быть выражена в формальном виде, но все же должна относиться к достаточно «понятной» и структурированной области, т.е. должны быть выделены основные понятия, отношения и известные способы получения решения задачи. Решение задачи не должно в значительной степени использовать «здравый смысл», так как подобные знания не удается вложить в системы искусственного интеллекта.
Применение ЭС оправдано	Решение задачи принесет значительный эффект. Использование человека-эксперта невозможно либо из-за недостаточного их количества, либо из-за необходимости выполнять экспертизу одно- временно в различных местах. При передаче информации к эксперту происходит недопустимая потеря времени или информации. При необходимости решать задачу в окружении, враждебном для человека.
Приложение соответствует методам ЭС (методам инженерии знаний)	Задача может быть естественным образом решена посредством манипуляции с символикой, а не с числами. Задача должна иметь эвристическую природу. Задача должна быть достаточно сложной, чтобы оправдать затраты на разработку ЭС, однако не должна быть чрезмерно сложной, чтобы ЭС могла ее решить. Задача должна быть достаточно узкой, чтобы решаться методами инженерии знаний, и практически значимой.

Тестирование. Эксперт и инженер по знаниям в интерактивном режиме, используя диалоговые и объяснительные средства, проверяют компетентность экспертной системы. Процесс тестирования продолжается до тех пор, пока эксперт не решит, что система достигла требуемого уровня компетентности.

Опытная эксплуатация. Проверяется пригодность экспертной системы для конечных пользователей. По результатам этого этапа может потребоваться модификация экспертной системы.

Рис. 3.7. Технология разработки экспертной системы

Модификация. В ходе создания экспертной системы почти постоянно производится ее модификация; переформулирование понятий и требований, переконструирование представления знаний и усовершенствование прототипа.

Усовершенствование прототипа осуществляется в процессе циклического прохождения через этапы выполнения и тестирования для отладки правил и процедур вывода.

Переконструирование выбранного ранее способа представления знаний предполагает возврат с этапа тестирования на этап формализации.

Если возникшие проблемы еще более серьезны, то после неудачи на этапе тестирования может потребоваться возврат на этап концептуализации и идентификации. В этом случае речь идет о переформулировании понятий, используемых в системе, т.е. перепроектировании системы заново.

Приведенная последовательность разработки экспертных систем предложена Э. А. Поповым. Данная технология отражает опыт разработки и внедрения многочисленных экспертных систем широкого назначения.

Процесс создания ЭС не сводится к строгой последовательности перечисленных выше этапов. Применяемые при разработке ЭС методы инженерии знаний в значительной степени инвариантны тому, в каких областях они могут применяться.

Методы инженерии знаний можно подразделить на:

методы представления знаний;

методы приобретения знаний от экспертов;

методы, применяемые при решении задачи (методы, применяемые экспертом) (табл. 3.4).

Таблица 3.4

Основные методы инженерных знаний

Методы представления знаний	Методы приобретения знаний	Методы решения задачи
Основанные на правилах (самый популярный) Основанные на фреймах Основанные на семантических сетях	Наблюдения на рабочем месте Обсуждение задач Описание задач Анализ задач Доводка системы Оценивание системы Проверка системы	Методы экспертных оценок: 1) индивидуальная оценка: разбиение множеств; последовательный выбор; метод парных сравнений; балльная оценка; последовательное сопоставление; метод расстановки приоритетов и др.; 2) групповая оценка: заочный опрос; интервью; дискуссия; среднеарифметический; правило большинства; метод ранга и др. Применение эвристик* Другие методы

*Эвристика- эмпирическое правило, упрощающее или ограничивающее поиск решений в предметной области, которая является сложной или недоступной ясному пониманию.