Раздел 7.2: Архитектура экспертных систем.

Архитектура ЭС– это функционально-информационная структура программно-аппаратурных средств ЭС, обеспечивающие накопление и переработку знаний для поиска решений НФЗ в процессе интеллектуального общения ЛПР и ЭС.

Архитектура типичной идеальной ЭС в химической технологии включает следующие основные компоненты:

• база знаний (БЗ),

• база данных (БД),

• база целей (БЦ),

• рабочая память, или рабочая база знания (РБЗ),

• подсистема вывода решений (ПВР),

• подсистема интеллектуального интерфейса (ПИИ),

• подсистема поддержки и отладки (ППО),

• подсистема цифрового моделирования (ПЦМ),

• подсистема объяснения решений (ПОР),

• подсистема координации и управления (ПКУ).

Кратко рассмотрим характеристику и назначение каждого компонента архитектуры ЭС.

База знаний– это основа интеллектуального обеспечения ЭС, представляющая собой совокупность программных средств, которые обеспечивают хранение, накопление, удаление, поиск, переработку и запись в память ЭВМ разнообразных компьютерно реализованных МПЗ в различных сложно структурированных формах. Для ЭС в химической технологии БЗ содержат МПЗ трех типов знаний: предметные знания; управляющие знания и метазнания.

Предметные знания - это совокупность декларативных и процедурных знаний ПО.

Управляющие знания – совокупность знаний о различных стратегиях принятия решений в ПО.

Метазнания – это знания о знаниях, которые в компьютерной форме хранятся в БЗ, и о процедурах, которые можно совершать со знаниями, хранящимися в БЗ.

БД-это совокупность программных средств, обеспечивающих накопление, поиск, хранение и запись информационных единиц заданной структуры данных (массивы, файлы, списки и т.д.), используемых под управлением СУБД. При создании ЭС используются различного рода БД: иерархические, реляционные и сетевые.

БЦ –это совокупность программных средств, обеспечивающих накопление, хранение, поиск и запись в память ЭВМ семантической, фактографической и количественной информации о назначении и о возможном целевом функционировании рассматриваемых стереотипных объектов в ПО. А также о возможном побуждении ЭС к некоторому целенаправленному действию.

РБЗ (рабочая память)– это совокупность программно реализованных средств, которые обеспечивают накопление, хранение, поиск и запись в память ЭВМ знаний и данных, полученных ЭС в процессе генерации семантического решения НФЗ и отображающих «текущее состояние» решения НФЗ.

ПВР –это совокупность программных средств, которые реализуют операции извлечения и применения необходимых знаний из БЗ и РБЗ, а также данных из БД для автоматизированной генерации семантического решения НФЗ.

ПИИ -это совокупность программно-аппаратурных средств, которые обеспечивают дружественное интеллектуальное общение непрограммирующих пользователей – ЛПР с ЭС на ОЕЯ при накоплении знаний, при поиске и объяснении решений НФЗ. В состав ПИИ входят три основных блока:

• лингвистический процессор (ЛП),

• блок регламентированного общения (БРО)

• блок когнитивной графики.

ЛП обеспечивает реализацию всех операций интеллектуального диалога ЛПР и ЭС на ограниченном естественном языке при генерации объяснении семантического решения НФЗ. Важнейшими операциями интеллектуального диалога являются понимание ЭС смысла знаний, выраженных ЛПР на ограниченном ЕЯ, путем перевода этих знаний на некоторый внутренний язык ЭВМ, использующий модели представления знаний, а также формирование и представление ЛПР сгенерированного ЭС семантического решения на ОЕЯ.

БРО –это совокупность программных средств, реализующих жесткий заранее запланированный сценарий общения ЛПР и ЭС. Этот сценарий может быть и многовариантным. Выбор той или иной его реализации зависит от ответов, даваемых ЛПР на запросы ЭС. Для создания БРО используют различные регламентированные языки:

• «меню»,

• «анкеты» и «приказы-инструкции»,

• также блок управления «окнами».

«Меню»– это язык общения, при котором в изображаемом на экранах дисплея списке команд или вариантов ответов, ЛПР выбирает необходимый вариант, вводя номер или букву или указывая курсором на желаемый пункт «меню».

«Анкета»– это язык общения, при котором ЛПР на каждом шаге общения с ЭС заполняет интересующими его данными соответствующие графы «анкеты», высвеченной на дисплее. Каждая графа «анкеты» предназначена для строго определенной информации. После считывания частично или полностью заполненной «анкеты» ЭС либо высвечивает другую «анкету», либо предает промаркированные данные ЭС. В свою очередь ЭС, проанализировав введенную ЛПР информацию, выдает результаты работы.

В языках «приказов-инструкций»инициатива и сценарий общения полностью принадлежат ЛПР. Примеры: «ввести в память», «напечатать» и т.д.

Регламентированные языкидают небольшие возможности для общения: инициатива жестко закрепляется за одним из участников общения; от ЛПР требуется задание полной и непротиворечивой информации. Не допускаются ошибки в форматах задаваемой информации; требуется специальное обучение ЛПР языку общения; разработанная система общения для одной ЭС чаще всего требует коренной переделки применительно к другой ЭС и т.д. Для более гибкого и дружественного общения ЛПР и ЭС необходим только ОЕЯ.

Блок управления «окнами» (БУО)– это совокупность программно-аппаратурных средств, обеспечивающих выделение на экране дисплея «окон», т.е. локальных частей экрана, с каждой из которых программы и ЛПР могут работать как с независимым экраном. БУО может поддерживать пересекающиеся окна, средства перемещения, изменения размера и переключения «окон».

Блок когнитивной графики –это совокупность программно-аппаратурных средств, которые позволяют ЛПР визуально воспринимать процесс и результаты поиска решений благодаря установлению взаимосвязей между изображениями, возникающими на экране дисплея с когнитивными процессами образного мышления, протекающими при решении НФЗ.

ПОР –это совокупность программно-аппаратурных средств, которые позволяют объяснить ЛПР, каким образом и на основе каких предпосылок ЭС получено конкретное заключение, что облегчает эксперту тестирование ЭС и повышает доверие ЛПР к полученному результату.

ППО –это совокупность программных средств. Которые облегчают программирование при создании ЭС, отладку ЭС и увеличивают эксплуатационные возможности созданной ЭС.

В состав ППО входят средства:

• отладки,

• средства трассировки,

• пакеты прерывания,

• редактор БЗ и бок статистики.

Средства трассировки позволяют ЛПР следить за действиями ЭС; обычно они перечисляют имена (или номера) всех выполненных ПП или всех задействованных подпрограмм.

Пакет прерыванийпозволяет ЛПР заранее сообщить программе, где она должна остановиться, чтобы ЛПР мог остановить выполнение программы перед некоторой повторяющейся ошибкой и проверить текущие значения переменных в БД. Все средства построения ЭС должны иметь эти основные отладочные средства. Весьма немногие средства построения ЭС включают также автоматическое тестирование, несколько более сложное средство отладки по сравнению с трассировкой и прерыванием. Это средство позволяет ЛПР автоматически тестировать программы на большом числе пробных задач, чтобы обнаружить ошибки несовместимости в их решениях.

Редактор БЗ в простейшем случае – это стандартный тестовый редактор для модификации ПП и данных «вручную». Редактор БЗ следит за изменениями, сделанными ЛПР, и записывает соответствующую информацию. Если ЛПР добавляет или изменяет ПП, то редактор автоматически запоминает модифицированное ПП вместе с именем пользователь для дальнейший справок. Это особенно полезно в тех случаях, когда разные специалисты модифицируют, или уточняют БЗ.

Другим распространенным свойством редакторов БЗ является синтаксический контроль, такой редактор использует знания о грамматической структуре языка ЭС, чтобы помочь пользователю ввести правила в нужном формате и без грамматических ошибок.

Особенно полезное, но, как правило, трудно реализуемое свойство редактора БЗ – семантический контроль знаний,благодаря которому ЭС контролирует семантику, или содержание фактов, правил и данных при их выводе, чтобы установить, не противоречат ли они существующим знаниям ЭС

Другое полезное, но, как правило, недоступное свойство редактора БЗ – извлечение знаний,с помощью которого редактор помогает ЛПР ввести новые знания в ЭС. Это свойство сочетает синтаксический и семантический контроль знаний с умелыми подсказками и объяснениями, чтобы даже неопытные ЛПР могли понять, как добавить или изменить правила. Свойство извлечения знаний в редакторе сокращает время разработки ЭС и обучает новых пользователей ЭС.

Блок статистикииспользуется для накопления и хранения данных по работе ЭС. Использование этих данных многогранно. Например, данные могут потребоваться для проведения очередного сеанса с ЭС, если ЭС предназначена для периодической работы.

Анализ информации, накопленной в результате практического использования ЭС в блоке статистики. Используется для оценки удачных и неудачных заключений, полученных ЭС, с целью выявления недостатков работы ЭС и определения процента правильных решений.

ПЦМ представляет собой специальную программу цифрового моделирования ХТС, в которую отдельные вычислительные модули различных ХТП подключаются по вызову фреймов или семантических графов, входящих в рабочую БЗ и отображающих сгенерированное семантическое решение НФЗ.

ПКУ обеспечивает взаимодействие всех подсистем и блоков ЭС на этапах разработки, отладки и эксплуатации НФЗ.

Разработку, отладку и эксплуатацию ЭС осуществляют три класса специалистов: инженер знаний, инженер-программист, эксперт.

Эксплуатацию ЭС осуществляет ЛПР – непрограммирующий пользователь, являющийся специалистом в данной ПО и применяющий ЭС для решения конкретной НФЗ в этой ПО.