Статические и динамические экспертные системы

При классификации ЭС по проблемным областям на основе классов и типов задач, важно исследовать и оценивать характер проблемной и предметной областей с позиций динамики решаемых задач, важности временного фактора и темпоральной информации.

То есть, если исходная информация о предметной области или окружающем мире, на основе которой решается задача, не изменяется за время решения задачи, то такую предметную область можно условно назвать статической предметной областью, и ее представление в ЭС будет статическим. Если информация о предметной области изменяется за время решения задач, то такую предметную область можно назвать динамической предметной областью.

Если задачи, решаемые ЭС, явно не учитывают фактор времени и не изменяют в процессе решения данные о реальной действительности, то это статические задачи. Если задачи при решении требуют учета фактора времени или изменяют данные о реальных внешних процессах, то это динамические задачи.

То есть, ЭС работает в статической проблемной среде, если она использует статическое представление и решает статические задачи. Если ЭС использует динамическое представление или решает динамические задачи, то, соответственно она работает в динамической проблемной среде. Важность времени в динамических проблемных средах определила название таких ЭС, как систем, работающих в реальном времени.

Среди специализированных систем, основанных на знаниях, наиболее значимыми являются ЭС реального времени или динамические ЭС. Исследования по разработке таких систем с целью их практического использования ведутся достаточно давно, с середины 80-х годов прошлого века.

В 1985 г. фирма Lisp Machine Inc. (LMI) выпустила систему PICON (process Intelligent Control – интеллектуальное управление процессом) [10]. Система применялась для управления нефтеперерабатывающим предприятием. Система обеспечивает контроль 20 тысяч точек. Имеется возможность динамически изменить программу контроля с уделением особого внимания «горячим точкам», параметры которых выходят за рамки допусков. Позже LMI разработала также пакет RTIME.

Успех системы PICON привел к тому, что в 1986 группа ведущих разработчиков системы образовала фирму Gensym, которая, значительно развив идеи, заложенные в PICON, в 1988 г. вышла на рынок с инструментальным средством G2, версия 1.0.

С этого времени работы по созданию инструментальных средств для ЭС реального времени стали вестись более активно. С отставанием от Gensym на 2-3 года другие фирмы начали создавать свои инструментальные средства для ЭС реального времени.

Значимость инструментальных средств реального времени определяется не столько их бурным коммерческим успехом (хотя и это достойно тщательного анализа), но, в первую очередь, тем, что только с помощью подобных средств создаются стратегически значимые приложения в таких областях, как управление непрерывными производственными процессами, аэрокосмические исследования, транспортировка и переработка нефти и газа, управление атомными и тепловыми электростанциями, финансовые операции и многие другие.

Экспертные системы реального времени, решают следующие классы задач: мониторинг в реальном масштабе времени, обнаружения неисправностей, диагностика, оперативное планирование, системы – советчики оператора.

Статические экспертные системы не способны решать подобные задачи, так как они не выполняют требования, предъявляемые к системам, работающим в реальном времени:

1. Представлять изменяющиеся во времени данные, поступающие от внешних источников, обеспечивать хранение и анализ изменяющихся данных.

2. Выполнять временные рассуждения о нескольких различных асинхронных процессах одновременно (т.е. планировать в соответствии с приоритетами обработку поступивших в систему процессов).

3. Обеспечивать механизм рассуждения при ограниченных ресурсах (время, память). Реализация этого механизма предъявляет требования к высокой скорости работы системы, способности одновременно решать несколько задач (т.е. операционные системы UNIX, VMS, Windows NT).

4. Осуществлять постоянный мониторинг процесса, и при необходимости автоматически запускать механизм логического вывода решений по устранению критических ситуаций с одновременным информированием ЛПР.

5. Моделировать"окружающий мир", рассматриваемый в данном приложении, обеспечивать создание различных его состояний.

6. Протоколировать свои действия и действия персонала, обеспечивать восстановление после сбоя.

7. Обеспечивать наполнение базы знаний для приложений реальной степени сложности с минимальными затратами времени и труда (необходимо использование объектно-ориентиро-ванной технологии, общих правил, модульности и т.п.).

8. Обеспечивать настройку системы на решаемые задачи (проблемная/предметная ориен-тированность).

9. Обеспечивать создание и поддержку пользовательских интерфейсов для различных категорий пользователей.

10. Обеспечивать уровень защиты информации (по категориям пользователей) и предотвращать несанкционированный доступ.

Специфические требования, предъявляемые к экспертной системе реального времени, приводят к тому, что их архитектура отличается от архитектуры статических систем. Появляются две новые подсистемы: моделирования внешнего окружения и сопряжения с внешним миром (датчиками, контроллерами, СУБД и т.п.) – и значительные изменения, которым подвергаются оставшиеся подсистемы.

При создании ЭС реального времени, приобретают важное значение несколько новых по сравнению с обычными ЭС соображений. Главное из них – эффективность исполнения. В обычных ЭС факты и знания, на которых основываются рассуждения, носят статический характер. В производственных системах факты, или показания технологических датчиков, являются динамическими. В таких ЭС может существовать до нескольких тысяч показаний приборов и аварийных сигналов, заметно меняющих величину или состояние в течение нескольких минут.

Задача системы – советника оператора или ЛПР – поставить экспертные диагнозы состояния производства и рекомендовать неотложные аварийные мероприятия или операции по обеспечению экономически оптимальных режимов процесса.

Например, возможны следующие производственные ситуации:

1. Отказ важного датчика и передача вследствие этого ложной информации. ЭС должна при помощи БЗ о процессе обнаружить противоречия и послать оператору аварийный сигнал.

2. Нарушение хода процессе ЭС должна найти причины возникших нарушений, отделить их от следствий, и помочь оператору в устранении неполадок. Для этого она могла бы использовать эвристические правила оптимизации.

В приведенных примерах ЭС работает по правилам экспертизы, заложенным в нее при разработке. Потенциальное преимущество системы – советника оператора – заключается в том, что она проводит экспертизу во всех отношениях достаточно быстро, обеспечивая постоянную организованную помощь оператору.

Таким образом, основными принципами построения ЭС реального времени, в дополнение к требованиям к ЭС реального времени, рассмотренный выше, являются следующие:

1. Доступ к данным. Необходим эффективный интерфейс передачи данных в реальном масштабе времени между ЭС и распределенной измерительной системой.

2. Концепция рассуждений. Базовые механизмы прямой и обратной цепочек рассуждений должны быть «встроены» в программное окружение, работающее в реальном времени.

3. Вычислительная эффективность. Эффективность рассуждений зависит от структуры программы и БЗ, а также от быстродействия компьютера. Кроме того, дедуктивные процедуры обычных рассуждений могут быть дополнены эвристическими процедурами, подобными тем, которыми пользуются эксперты.