3.5.2Сценарий построения бз

Процесс приобретения знаний имеет следующий сценарий:

1. Перед ИЗ ставится задача разработки ЭС.

2. Он находит эксперта, совместно с ним изучает проблему. Выявляет типы обобщенных логических задач, которые, скорее всего, будет решать ЭС.

3. После того как ИЗ достаточно хорошо разобрался в существе проблемы, вместе с экспертом они определяют проблему и ее неформальное описание. Задача при этом сужается до разумных пределов.

4. После этого ИЗ начинает определять основные понятия предметной области, которые требуются для решения выделенных логических задач. На этой стадии выявляются основные понятия, простейшие связи и определения, необходимые для беседы о проблеме и ее решении.

Определяется, какие понятия являются важными. Раскрывается смысл умозаключений, используемых при различных типах логических задач. Отмечаются организационные механизмы, которые использует эксперт при решении задачи. Группируются логические задачи и типы умозаключений, что позволяет определить виды заключений. Идентификация терминов и описание дополнительных организационных механизмов составляют структурную часть знания о предметной области.

Второй тип знаний, который стремится получить ИЗ, представляет основные стратегии, используемые экспертом при решении проблемы. Какие факты пытается установить эксперт в первую очередь? Какие вопросы задает? Делает ли он начальные предположения, основываясь на опытных данных? Как в дальнейшем эксперт определяет, какие вопросы задавать, чтобы уточнить предположения? В каком порядке эксперт решает каждую из этих важных подзадач, и изменяется ли этот порядок в зависимости от ситуации?

4. Объединение этих двух форм знаний образует структуру логического вывода. Структурные знания указывают, какие задачи и условия должен определять консультант. Стратегические знания указывают, как и когда ЭС должна их установить.

Дополнительно ИЗ стремится усвоить объяснение и обоснование связей, условий и стратегических методов, которыми пользуется эксперт при решении задач. Их важно регистрировать для понимания инженером знаний, создания системной документации, обеспечения точных объяснений системы. Эти типы знаний облегчают задачу проектирования, построения и модификации ЭС. ИЗ фиксирует комментарии эксперта, задает дополнительные вопросы, чтобы объяснить и пояснить те основные понятия, на которых основаны объяснения. Результатом оказывается набор понятий, часть из которых являются основными, а часть – нет, но которые, по мнению ИЗ, имеют непосредственное отношение к объяснению.

На этапе концептуализации проблемы ИЗ пытается формализовать получаемые знания, т.е. организовать их в БЗ. Идет разработка инструментальных средств или программного обеспечения ЭС. Если в результате бесед эксперта с ИЗ данные хорошо структурированы и достаточно надежны, то это позволяет ИЗ разработать язык правил, строится дерево решений. Все эти знания позволяют выбрать подходящую ЭС для решения поставленной задачи. Если подходящая система найдена, производится ее опробование. Когда система запущена, ее показывают эксперту, который формулирует возможное дополнение, приводящее к изменению БЗ, уточнению правил, видоизменению концепции предметной области. ИЗ вносит изменения. Такая работа длится до тех пор пока она не удовлетворит заказчика, либо ИЗ не придет к мысли о создании новой ЭС.

Таким образом, создание ЭС состоит из двух фаз. Первая фаза предусматривает идентификацию и концептуализацию проблемы. Идентификация включает отыскание эксперта, источников знаний, ясную формулировку проблемы Вторая фаза представляет собой формализацию, практическую реализацию, тестирование подходящей архитектуры системы, а также постоячное переформулирование понятий, изменение форм представления и доведение до совершенства релизованной системы.

3. Стадии приобретения знаний

Стадия идентификации

Первый шаг процесса приобретения знаний должен характеризовать главные аспекты проблемы: определение участников, характеристик решаемых задач, ресурсов и целей.

Главными участниками диалога на этом этапе являются предметный эксперт и инженер знаний. Эксперты выступают как информаторы. При этом они могут не иметь продуманной стратегии обучения. ИЗ  – получатель, который многократно переформулирует то, что удается ему понять, и проверяет эту информацию, используя тестовые примеры или привлекая других экспертов. Предметный эксперт может выступать как учитель, а не как информатор (аналогия мастер – ученик). ИЗ должен стремиться как можно больше узнать о специфике предметной области.

После выбора участников ИЗ и предметный эксперт могут начать идентифицировать проблему. Сюда входит неформальный обмен мнениями по различным аспектам проблемы, ее постановке, характеристикам, подзадачам. Цель – охарактеризовать проблему, обеспечивающие ее структуру знания, чтобы можно было приступить к формированию БЗ. Необходимо несколько итераций по постановке проблемы, так как эксперт или ИЗ могут прийти к выводу, что начальная проблема является слишком большой или громоздкой для имеющихся ресурсов.

Для идентификации проблемы важно ответить на следующие вопросы.

• Какой класс задач будет решать данная ЭС?

• Как эти задачи могут быть охарактеризованы или определены?

• Какие важные подзадачи существуют?

• Какие имеются данные?

• Какие имеются важные понятия, их взаимосвязи?

• Какой вид имеет решение, и какие концепции используются в нем?

• Какие аспекты опыта эксперта существенны при решении этих проблем?

• Какова природа и каков объем необходимых знаний, используемых при решении?

• Какие возможны ситуации, препятствующие решению?

• Как эти помехи будут влиять на ЭС?

Стадия неформального описания

На стадии неформального описания проблемы экспертом ИЗ уточняет понятия и основные концепции. Эксперт дает подробноеописание типовых задач, объясняет, как решать эти задачи, какие соображения лежат в основе решений. После нескольких циклов обсуждений ИЗ и эксперт достигают окончательного неформального описания. Это значит, что участники выделили и описали те знания, которые необходимы для решения проблемы, и идентифицировали основные элементы для ее описания.

Определение ресурсов

Третий этап – определение ресурсов. К ним относятся:

• источники знаний,

• время,

• вычислительная техника,

• деньги.

Определение целей

Четвертый этап – определение целей. Эксперт, скорее всего, определит цели или задачи разрабатываемой ЭС в процессе идентификации проблемы. Однако имеет смысл отделить эти цели от специфических задач, так как они образуют дополнительные ограничения, которые могут оказаться полезными при характеристике желаемых и возможных подходов. ИЗ также должен определить внешние ограничения, которые могут влиять на успех ЭС.

Стадия концептуализации

Выявленные концепции и связи желательно представить в виде диаграммы, чтобы зафиксировать концептуальную базу первого варианта системы.

Прежде чем приступить к процессу концептуализации, необходимо ответить на вопросы.

• Какие имеются типы данных?

• Что задано и что должно быть выведено?

• Имеют ли подзадачи наименования?

• Имеют ли стратегии наименования?

• Имеются ли ясные частичные гипотезы, которые широко используются?

• Каково их содержание?

• Как связаны между собой объекты предметной области?

• Можно ли нарисовать иерархическую структуру и указать причинно-следственные отношения, родо-видовые связи, отношения типачасть-целое и т.п.?

• Как выглядит эта структура?

• Какие процессы участвуют в решении задачи?

• Какие ограничения наложены на эти процессы?

• Как осуществляется передача информации?

• Можно ли определить и разделить знания, необходимые для получения, и знания, используемые для обоснования решения?

Процесс концептуализации цикличен. ИЗ может строить какую-либо концептуальную схему. Он не должен выбирать ее заранее, но может попробовать на схеме какие-либо идеи для разработки первого варианта подпроблемы. Не стоит показывать схему эксперту, чтобы не оказывать на него давления.

3. Формализация знаний

Стадия формализации. Процесс формализации предусматривает перевод основных концепций, подзадач, характеристик информационного потока в более формальное представление. На этой стадии главную роль играет инженер знаний. Он объясняет эксперту методы, представления, типы задач, соответствующие рассматриваемой проблеме. Если ИЗ считает, что какой-либо метод подходит, то делается попытка удовлетворить требования выбранной схемы. Выводом данного этапа является набор частных утверждений, описывающих, как проблема может быть представлена в рамках выбранного метода или схемы.

Выбор основных информационых структур

В процессе формализации выделяются пространство гипотез, модель процесса, характеристика данных.

Чтобы понять структуру пространства гипотез, необходимо формализовать концепции и определить, как они связываются между собой, образуя гипотезы. Определяется форма и структура концепций: например, выгодно ли описывать концепции как структурированные объекты или рассматривать их как простые понятия? Являются ли причинно-следственные или пространственно-временные связи между концепциями важными? Следует ли представлять их в явном виде?

Концепции являются основополагающими при определении характера пространства гипотез. Конечно оно или бесконечно? Состоит ли из заранее определенных классов, или должно генерироваться из концепций по некоторой процедуре? Полезно или нет рассматривать гипотезы в иерархическом виде? Присутствуют ли неопределенность или спорные, неоднозначные элементы, относящиеся к конечным и промежуточным гипотезам? Следует ли использовать различные уровни абстракции?

Полезно построить модель процесса генерации решений. В ее состав могут входить как математические, так и поведенческие (алгоритмические?) методы. Если эксперт применяет упрощенную поведенческую модель при выводе решения или его обосновании, то при анализе модели можно получить много важных концепций и связей. Если часть концептуальной структуры описывается математической (аналитической или статистической) моделью, то ее можно включить в ЭС и использовать для доказательства непротиворечивости причинно-следственных связей в базе знаний ЭС.

Важно выявить природу данных предметной области. Если данные могут быть объяснены в терминах некоторых гипотез, то надо указать, является ли эта связь причинно-следственной, дефинитивной, корреляционной.

Для выявления природы данных необходимо ответить на следующие вопросы.

• Являются ли данные редкими, недостаточными, избыточными?

• Имеется ли неопределенность в данных?

• Зависит ли логическая интерпретация данных от порядка их появления во времени?

• Какова стоимость приобретения данных?

• Как приобретаются, или извлекаются данные?

• Какие вопросы необходимо задавать для их получения?

• Как получить некоторые характеристики данных на основании выборки из непрерывного потока данных?

• Как извлечь свойства данных из графиков, рисунков, грамматического разбора ввода на естественном языке?

• Являются ли данные надежными, устойчивыми, точными, однозначными или нет?

• Являются ли данные непротиворечивыми и полными для решения поставленных задач?

Результатом формализации потока концептуальной информации и элементов подзадач оказывается частичная спецификация для построения прототипа базы знаний. Спецификации содержат организационную схему,явное представление основных концепций и связей проблемы. На этом же этапе выбираются языки и схема, минимизирующая несоответствие при представлении подзадач.

3. Реализация базы знаний

Эта стадия включает перевод формализованных знаний в схему представления, определяемую выбранным языком. В результате появляется рабочая программа. Развивая схему представления знанийпосредством рабочей программы, получаем прототипный вариант ЭС.

Предметно-ориентированные знания определяют структуру данных, правила ввода, стратегии управления. Схема представления определяет их форму. Работоспособность рабочей программы не гарантирована, так как могут быть глобальные несоответствия между структурными данными и каким-либо правилом или стратегией управления. Эти противоречия должны быть устранены.

Прототипная БЗ создается с помощью различных программных средств:

• текстовых редакторов,

• интеллектуальных редакторов,

• программ для приобретения знаний.

Если существующие программные средства не подходят, то ИЗ должен разработать их.

Стадия тестирования предусматривает проверку прототипного варианта системы и схем представления знаний. При этом проверка должна проводиться на многих разнородных примерах. Порядок ввода данных должен быть разным, чтобы проверить работоспособность системы.

По ходу построения рабочей версии и проверки ЭС постоянно появляются изменения. Усовершенствование ЭС состоит из многократного повторения всех стадий, в результате чего должна быть получена рабочая версия ЭС.

Если улучшение ЭС не происходит, то необходимо изменить архитектуру системыили базы знаний.

Таким образом, вся технология разработки базы знаний, а далее и экспертной системы в целом, состоит из ряда итераций. На каждой стадии процесс может быть остановлен и проведено уточнение как текущей, так и предыдущих стадий. Это диктует основной принцип успешной разработки – стараться не переоценивать деталировку. В противном случае процесс разработки грозит не завершиться вообще никогда.

Именно по этой причине для целей обеспечения разработок должны быть использованы наиболее простые и прозрачные оболочки экспертных систем. Вдобавок, специфика объекта разработки диктует условие максимальной простоты восприятия. Слишком подробная деталировка совершенно неприемлема, она усложняет восприятие выше нормы.

Далее мы остановимся на стандартных критериях оценки экспертных систем, которые не включают в себя очень важный в нашем случае критерий статистически правдоподобного результата.

3. Критерии оценки ЭС

Надежность процессов рассуждений ЭС является определяющим фактором для оценки самой ЭС. Трудность выбора показателей оценки БЗ и ЭС связана с множеством критериев, которые необходимо рассмотреть при решении этой проблемы. ЭС должна гарантировать точность своих ответов в режиме консультации, т.е. нужно рассмотреть критерий работоспособности ЭС с точки зрения истинности вырабатываемых ей утверждений. Очень важным является момент сопоставления соответствия прикладных знаний, заложенных в БЗ, и экспертных знаний, а также оценка эквивалентности механизма рассуждений человека-эксперта и ЭС. Следующий немаловажный критерий оценки ЭС связан с организацией диалога, т.е. должны быть проанализированы проблемы организацииинтеллектуального интерфейса, механизма объяснений, сервисные функции ЭС, позволяющие оказывать необходимую помощь пользователю в сложных ситуациях.

Критерий продуктивности ЭС позволяет оценить производительность системы, т.е. необходимо проанализировать технические аспекты работы системы: производительность центрального процессора, время поиска решения (скорость работы ЭС), организацию поиска информации на диске и т.д. Фактически ставится задача определения коэффициента использования машинных ресурсов, что существенно влияет на соотношение стоимость – эффективность. Необходимо отметить, что выбор аппаратных средств оказывает основное влияние на продуктивность ЭС.

Критерий стоимость – эффективность позволяет оценить эффект использования ЭС по сравнению с другими средствами, применяемыми для решения тех же задач.

Решая вопрос, какие характеристики ЭС надо оценивать, необходимо рассматривать следующие аспекты: функциональное назначение; стоимость; время, в течение которого система данного размера и сложности может быть реализована; продуктивность системы (скорость работы и т.п.); качество решений и рекомендаций, вырабатываемых системой (достоверность, значимость получаемых результатов); правильность используемых стратегий поиска решений; качество человеко-машинного взаимодействия по его содержанию, интеллектуальности диалога, техническим решениям; сложность освоения; функциональную полноту; возможные ограничения (например, на размер базы знаний).

Функциональная полнота системы должна быть рассмотрена и оценена на всех этапах разработки ЭС.

Необходимо оценить наличие в системе таких элементов, как механизм объяснения, механизм обучения, механизм исправления ошибок, справочный словарь (для слов, используемых в вопросах и ответах, генерируемых системой), управление выводом(организация метауровня знаний), контроль на непротиворечивость и полноту БЗ, возможность трассировки, развитый пользовательский и программный интерфейс.

Требования, предъявляемые со стороны пользователя, являются определяющими при формировании показателей, позволяющих оценить эффективность ЭС и в частности БЗ, используемые методы поиска и вывода, а также удобства работы с системой.

3. Методы оценки

На этапе конструирования ЭС и в режиме эксплуатации возникает необходимость оценки сформированной базы знаний.

Статическая оценка БЗ заключается в сравнении экспертных знаний с предметными знаниями БЗ на полноту и непротиворечивость. Динамическое оценивание БЗ заключается в сравнении хода рассуждений ЭС и полученных выводов с экспертными.

Задача определения показателей оценки эффективности БЗ требует рассмотрения двух аспектов представления знаний: выразительной адекватности и эффективности нотации.

Первый аспект связан с возможностью выделения отличительных, существенных признаков объекта, исключая второстепенные, несущественные, малозначительные.

Второй аспект – эффективность нотации – связан с конкретной формой и структурой представления, а также с влиянием этой структуры на функционирование системы. Эффективность нотации может быть оценена через такие категории, как вычислительная эффективность, концептуальная ясность, компактность представления, простота модификации.

Выразительная адекватность предполагает выбор (или разработку) таких моделей представления знаний, в которых обеспечивалась бы возможность совокупности знаний, а также свободного перехода от одного уровня обобщения к другому без привязки к определенному уровню детализации. Другая потребность состоит в возможности изменения совокупности знаний во времени.

Аспекты приобретения знанийи накопления прежде всего связаны с концептуальной эффективностью. Вычислительная эффективность определяет возможности той или иной нотации с точки зрения реализации разнообразных алгоритмов.

Некоторые особенности представления знаний могут быть связаны как с концептуальной, так и с вычислительной эффективностью. Например, размещение описательных частей правил в систематической структуре знаний с тем, чтобы упростить обнаружение взаимодействий при вводе информации, а также наследование общих частей этих правил (для повышения компактности описания) позволяет увеличить эффективность работы и концептуальную эффективность процессов сбора и организации знаний. Модели, в которых обеспечивается совместное использование общих частей различных правил, позволяют сократить требуемый объем памяти, облегчить модификацию знаний.

Рассмотренные показатели оценки эффективности ЭС и БЗ позволяют сделать вывод, что для их достижения необходимо повышать скорость разработки системы, уменьшать ограничения и сложность освоения, организовывать ЭС как открытую систему, повышать уровень интеллектуальности ЭС, увеличивать функциональную полноту системы.