Разработка экспертных систем

В настоящее время сложилась определенная технология разработки ЭС, которая включает следующие шесть этапов: идентификация, концептуализация, формализация, выполнение, тестирование и опытная эксплуатация. На рисунке 3 приведена подробная схема создание экспертных систем.

Обычно в разработке экспертной системы участвуют не менее трех-четырех человек – один эксперт, один или два инженера по знаниям и один программист, привлекаемый для модификации и согласования инструментальных средств. Также к процессу разработки экспертной системы могут по мере необходимости привлекаться и другие участники. Например, инженер по знаниям может пригласить других экспертов, чтобы убедиться в правильности своего понимания основного эксперта, представительности тестов, демонстрирующих особенности рассматриваемой задачи, совпадения взглядов различных экспертов на качество предлагаемых решений. Кроме того, для сложных систем считается целесообразным привлекать к основному циклу разработки несколько экспертов. Однако в этом случае, как правило, требуется, чтобы один из экспертов отвечал за непротиворечивость знаний, сообщаемых коллективом экспертов.

Рис. 3. Этапы разработки экспертных систем

1. Этап идентификации.

Этап идентификации связан, прежде всего, с осмыслением тех задач, которые предстоит решить будущей экспертной системе, и формированием требований к ней. Результатом данного этапа является ответ на вопрос, что надо сделать и какие ресурсы необходимо задействовать (идентификация задачи, определение участников процесса проектирования и их роли, выявление ресурсов и целей).

Идентификация задачи заключается в составлении неформального (вербального) описания, в котором указываются:

- общие характеристики задачи;

- подзадачи, выделяемые внутри данной задачи;

- ключевые понятия (объекты), их входные (выходные) данные;

- предположительный вид решения;

- знания, относящиеся к решаемой задаче.

В процессе идентификации задачи инженер по знаниям и эксперт работают в тесном контакте. Начальное неформальное описание задачи экспертом используется инженером по знаниям для уточнения терминов и ключевых понятий. Эксперт корректирует описание задачи, объясняет, как решать ее и какие рассуждения лежат в основе того или иного решения. После нескольких циклов, уточняющих описание, эксперт и инженер по знаниям получают окончательное неформальное описание задачи.

При идентификации целей важно отличать цели, ради которых создается экспертная система, от задач, которые она должна решать. Примерами возможных целей являются: формализация неформальных знаний экспертов; улучшение качества решений, принимаемых экспертом; автоматизация рутинных аспектов работы эксперта (пользователя); тиражирование знаний эксперта.

2. Этап концептуализации.

На данном этапе проводится содержательный анализ проблемной области, выявляются используемые понятия и их взаимосвязи, определяются методы решения задач. Этот этап завершается созданием модели предметной области, включающей основные концепты и отношения. На этапе концептуализации определяются следующие особенности задачи:

- типы доступных данных;

- исходные и выводимые данные, подзадачи общей задачи;

- используемые стратегии и гипотезы;

- виды взаимосвязей между объектами предметной области, типы используемых отношений (иерархия, причина – следствие, часть – целое и т.п.);

- процессы, используемые в ходе решения;

- состав знаний, используемых при решении задачи;

- типы ограничений, накладываемых на процессы, используемые в ходе решения;

- состав знаний, используемых для обоснования решений.

Существует два подхода к процессу построения модели предметной области, которая является целью разработчиков экспертных систем на этапе концептуализации: признаковый и структурный.

Признаковый или атрибутивный подход предполагает наличие полученной от экспертов информации в виде троек объект – атрибут – значение атрибута, а также наличие обучающей информации. Этот подход развивается в рамках направления, получившего название формирование знаний или «машинное обучение».

Второй подход, называемый структурным (или когнитивным), осуществляется путем выделения элементов предметной области, их взаимосвязей и семантических отношений.

3. Этап формализации.

Теперь все ключевые понятия и отношения выражаются на некотором формальном языке, который либо выбирается из числа уже существующих, либо создается заново. Другими словами, на данном этапе определяются состав средств и способы представления декларативных и процедурных знаний, осуществляется это представление и в итоге формируется описание решения задачи экспертной системы на предложенном (инженером по знаниям) формальном языке.

Выходом этапа формализации является описание того, как рассматриваемая задача может быть представлена в выбранном или разработанном формализме. Сюда относится указание способов представления знаний (фреймы, сценарии, семантические сети и т.д.) и определение способов манипулирования этими знаниями (логический вывод, аналитическая модель, статистическая модель и др.) и интерпретации знаний.

4. Этап выполнения.

Цель этого этапа – создание одного или нескольких прототипов экспертной системы, решающих требуемые задачи. Затем на данном этапе по результатам тестирования и опытной эксплуатации создается конечный продукт, пригодный для промышленного использования. Разработка прототипа состоит в программировании его компонентов или выборе их из известных инструментальных средств и наполнении базы знаний.

Главное в создании прототипа заключается в том, чтобы этот прототип обеспечил проверку адекватности идей, методов и способов представления знаний решаемым задачам. Создание первого прототипа должно подтвердить, что выбранные методы решений и способы представления пригодны для успешного решения, по крайней мере, ряда задач из актуальной предметной области, а также продемонстрировать тенденцию к получению высококачественных и эффективных решений для всех задач предметной области по мере увеличения объема знаний.

5. Этап тестирования.

В ходе данного этапа производится оценка выбранного способа представления знаний в экспертной системе в целом. Для этого инженер по знаниям подбирает примеры, обеспечивающие проверку всех возможностей разработанной системы.

Различают следующие источники неудач в работе системы: тестовые примеры, ввод-вывод, правила вывода, управляющие стратегии.

Показательные тестовые примеры являются наиболее очевидной причиной неудачной работы экспертной системы. В худшем случае тестовые примеры могут оказаться вообще вне предметной области, на которую рассчитана система, однако чаще множество тестовых примеров оказывается слишком однородным и не охватывает всю предметную область. Поэтому при подготовке тестовых примеров следует классифицировать их по подпроблемам предметной области, выделяя стандартные случаи, определяя границы трудных ситуаций и т.п.

Ввод-вывод характеризуется данными, приобретенными в ходе диалога с экспертом, и заключениями, предъявленными экспертной системой в ходе объяснений. Методы приобретения данных могут не давать требуемых результатов, так как, например, задавались неправильные вопросы или собрана не вся необходимая информация. Кроме того, вопросы системы могут быть трудными для понимания, многозначными и не соответствующими знаниям пользователя. Ошибки при вводе могут возникать также из-за неудобного для пользователя входного языка. В ряде приложения для пользователя удобен ввод не только в печатной, но и в графической или звуковой форме.

Выходные сообщения (заключения) системы могут оказаться непонятны пользователю (эксперту) по разным причинам. Например, их может быть слишком много или, наоборот, слишком мало. Также причиной ошибок может являться неудачная организация, упорядоченность заключений или неподходящий пользователю уровень абстракций с непонятной ему лексикой.

Наиболее распространенный источник ошибок в рассуждениях касается правил вывода. Важная причина здесь часто кроется в отсутствии учета взаимозависимости сформированных правил. Другая причина заключается в ошибочности, противоречивости и неполноте используемых правил. Если неверна посылка правила, то это может привести к употреблению правила в неподходящем контексте. Если ошибочно действие правила, то трудно предсказать конечный результат. Правило может быть ошибочно, если при корректности его условия и действия нарушено соответствие между ними.

Нередко к ошибкам в работе ЭС приводят применяемые управляющие стратегии. Изменение стратегии бывает необходимо, например, если экспертная система анализирует сущности в порядке, отличном от привычного для эксперта. Последовательность, в которой рассматриваются данные, не только влияет на эффективность работы системы, но и может приводить к изменению конечного результата. Изменение стратегии бывает также необходимо и в случае неэффективной работы системы. Кроме того, недостатки в управляющих стратегиях могут привести к чрезмерно сложным заключениям и объяснениям.

Критерии оценки ЭС зависят от точки зрения. Например, полнота и безошибочность правил вывода. При тестировании промышленной системы превалирует точка зрения инженера по знаниям, которого в первую очередь интересует вопрос оптимизации представления и манипулирования знаниями. И, наконец, при тестировании после опытной эксплуатации оценка производится с точки зрения пользователя, заинтересованного в удобстве работы и получения практической пользы

6. Этап опытной эксплуатации.

На этом этапе проверяется пригодность экспертной системы для конечного пользователя. Пригодность для пользователя определяется в основном удобством работы с ней и ее полезностью. Под полезностью системы понимается ее способность в ходе диалога определять потребности пользователя, выявлять и устранять причины неудач в работе, а также удовлетворять указанные потребности пользователя (решать поставленные задачи). В свою очередь, удобство работы с экспертной системой подразумевает:

- естественность взаимодействия – общение в привычном, не утомляющем пользователя виде;

- гибкость – способность системы настраиваться на различных пользователей, а также учитывать изменения в квалификации одного и того же пользователя;

- устойчивость к ошибкам – способность не выходить из строя при ошибочных действиях неопытного пользователях.

- В ходе разработки экспертной системы почти всегда осуществляется ее модификация. Выделяют следующие виды модификации системы:

- переформулирование понятий и требований;

- переконструирование представления знаний в системе и усовершенствование прототипа.