Экспертные системы

Экспертные системы

это направление исследований в области искусственного интеллекта по созданию вычислительных систем, умеющих принимать решения, схожие с решениями экспертов в заданной предметной области.

Как правило, экспертные системы создаются для решения практических задач в некоторых узкоспециализированных областях, где большую роль играют знания «бывалых» специалистов. Экспертные системы были первыми разработками, которые смогли привлечь большое внимание к результатам исследований в области искусственного интеллекта.

Экспертные системы имеют одно большое отличие от других систем искусственного интеллекта: они не предназначены для решения каких-то универсальных задач, как например нейронные сети или генетические алгоритмы. Экспертные системы предназначены для качественного решения задач в определенной разработчиками области, в редких случаях – областях.

Экспертное знание – это сочетание теоретического понимания проблемы и практических навыков ее решения, эффективность которых доказана в результате практической деятельности экспертов в данной области. Фундаментом экспертной системы любого типа является база знаний, которая составляется на основе экспертных знаний специалистов. Правильно выбранный эксперт и удачная формализация его знаний позволяет наделить экспертную систему уникальными и ценными знаниями. Врач, к примеру, хорошо диагностирует болезни и эффективно назначает лечение, не потому, что он обладает некими врожденными способностями, а потому что имеет качественное медицинское образование и большой опыт в лечении своих пациентов. Поэтому ценность всей экспертной системы как законченного продукта на 90% определяется качеством созданной базы знаний.

Экспертная система – это не простая программа, которая пишется одним или несколькими программистами.

Экспертная система является плодом совместной работы экспертов в данной предметной области, инженеров по знаниям и программистов.

Но стоит отметить, что встречаются случаи, когда программы пишутся самими экспертами в данной области.

Эксперт предоставляет необходимые знания о тщательно отобранных примерах проблем и путей их решения. Например, при создании экспертной системы диагностики заболеваний врач рассказывает инженеру по знаниям об известных ему заболеваниях. Далее эксперт раскрывает список симптомов, которые сопровождают каждое заболевание и в заключение рассказывает об известных ему методах лечения. Инженер по знаниям, формализует всю полученную информацию в виде базы знаний и помогает программисту в написании экспертной системы.

Первую экспертную систему, которую назвали Dendral, разработали в Стэнфорде в конце 1960-х г.г. Эта была экспертная система, определяющая строение органических молекул по химическим формулам и спектрографическим данным о химических связях в молекулах. Ценность Dendral заключалась в следующем. Органические молекулы, как правило, очень велики и поэтому число возможных структур этих молекул также велико. Благодаря эвристическим знаниям экспертов-химиков, заложенных в экспертную систему, правильное решение из миллиона возможных находилось всего за несколько попыток. Принципы и идеи, заложенные в Dendral оказались настолько эффективными, что они до сих пор применяются в химических и фармацевтических лабораториях по всему миру.

Экспертная система Dendral одной из первых использовала эвристические знания специалистов для достижения уровня эксперта в решении задач, однако методика современных экспертных систем связана с другой разработкой – Myсin. В ней использовались знания экспертов медицины для диагностики и лечения специального менингита и бактериальных инфекций крови.

Экспертная система Mycin, разработанная в том же Стэнфорде в середине 1970-х г.г., одной из первых обратилась к проблеме принятия решений на основе ненадежной или недостаточной информации. Все рассуждения экспертной системы Mycin были основаны на принципах управляющей логики, соответствующих специфике предметной области. Многие методики разработки экспертных систем, использующиеся сегодня, были впервые разработаны в рамках проекта Mycin.

На сегодняшний день создано уже большое количество экспертных систем. С помощью них решается широкий круг задач, но исключительно в узкоспециализированных предметных областях. Как правило, эти области хорошо изучены и располагают более менее четкими стратегиями принятия решений. Сейчас развитие экспертных систем несколько приостановилось, и этому есть ряд причин:

• Передача экспертным системам «глубоких» знаний о предметной области является большой проблемой. Как правило, это является следствием сложности формализации эвристических знаний экспертов.
• Экспертные системы неспособны предоставить осмысленные объяснения своих рассуждений, как это делает человек. Как правило, экспертные системы всего лишь описывают последовательность шагов, предпринятых в процессе поиска решения.
• Отладка и тестирование любой компьютерной программы является достаточно трудоемким делом, но проверять экспертные системы особенно тяжело. Это является серьезной проблемой, поскольку экспертные системы применяются в таких критичных областях, как управление воздушным и железнодорожным движением, системами оружия и в ядерной промышленности.
• Экспертные системы обладают еще одним большим недостатком: они неспособны к самообучению. Для того, чтобы поддерживать экспертные системы в актуальном состоянии необходимо постоянное вмешательство в базу знаний инженеров по знаниям. Экспертные системы, лишенные поддержки со стороны разработчиков, быстро теряют свою востребованность.

В заключение стоит отметить, что несмотря на все эти ограничения и недостатки, экспертные системы уже доказали всю свою ценность и значимость во многих важных приложениях.

Для чего существуют экспертные системы

Система является интеллектуальной, если она обладает знаниями и умеет использовать их для достижения сформулированной цели. Знания – это то, без чего нет интеллектуальной системы. Экспертные системы явились первыми действительно интеллектуальными системами и, в конечном счете, интеллектуальность определила их коммерческий успех.

Разработки универсальных программ, использующих общие методы решения широкого класса задач, существенных практических результатов не принесли, но появилось понимание крайней ограниченности применения формально-математических методов в этой области. В 70-е годы была разработана и принята принципиально новая концепция: чтобы сделать систему интеллектуальной, ее нужно снабдить множеством высококачественных специальных знаний о некоторой предметной области. Процесс создания экспертных систем на первых этапах заключается в специфическом взаимодействии эксперта (экспертов) и инженера по знаниям с целью «извлечения» из эксперта и встраивания в систему процедур, стратегий эмпирических правил, которые он использует для решения задач.

Эксперт – это человек, который благодаря обучению и опыту может делать то, что мы все, остальные люди делать не умеем; эксперты работают не просто профессионально, но быстро и эффективно. Они хорошо умеют распознавать в проблемах, с которыми сталкиваются, примеры тех типовых проблем, с которыми они уже знакомы. Очень важно подчеркнуть, что эксперт должен не только знать, но и уметь. Именно этим свойством отличаются базы данных от баз знаний – базы знаний активны.

Экспертные системы как отдельное направление выделилось из общего русла исследований по искусственному интеллекту в начале 80-х г.г. Основным предметом исследований нового направления являются знания – их приобретение, представление и использование. Специалисты, работающие в этой области все чаще используют для ее наименования термин «инженерия знаний».

Очень значимым отличием экспертных систем от классических программ, работа которых основана на точных данных является то, что экспертные системы могут ошибаться. Причина ошибок лежит в том, что знания специалистов, как и знания, заложенные в экспертные системы, не точны. Важно, по крайней мере, чтобы экспертные системы ошибались не чаще, чем ошибается человек-эксперт.

Т.о. можно сформулировать следующее определение экспертной системы. Экспертная система – это вычислительная система, в которую включены знания специалистов о некоторой узкой предметной области в форме базы знаний. Экспертные системы должны уметь принимать решения вместо специалиста в заданной предметной области.

Характерными чертами экспертной системы являются:

• четкая ограниченность предметной области;
• способность принимать решения в условиях неопределенности;
• способность объяснять ход и результат решения понятным для пользователя способом;
• четкое разделение декларативных и процедурных знаний (фактов и механизмов вывода);
• способность пополнять базу знаний, возможность наращивания системы;
• результат выдается в виде конкретных рекомендаций для действий в сложившейся ситуации, не уступающих решениям лучших специалистов;
• ориентация на решение неформализованных (способ формализации пока неизвестен) задач;
• алгоритм решения не описывается заранее, а строится самой экспертной системой;
• отсутствие гарантии нахождения оптимального решения с возможностью учиться на ошибках.

Экспертные системы применяются для решения только трудных практических (не игрушечных) задач. По качеству и эффективности решения экспертные системы не уступают решениям эксперта-человека. Решения экспертных систем обладают прозрачностью, т.е. могут, быть объяснены пользователю на качественном уровне (в отличие от решений, полученных с помощью числовых алгоритмов, и в особенности от решений полученных статистическими методами). Это качество экспертных систем обеспечивается их способностью рассуждать о своих знаниях и умозаключениях. Экспертные системы способны пополнять свои знания в ходе взаимодействия с экспертом. Необходимо отметить, что в настоящее время технология экспертных систем используется для решения различных типов задач (интерпретация, предсказание, диагностика, планирование, конструирование, контроль, отладка, инструктаж, управление) в самых разнообразных проблемных областях, таких, как финансы, нефтяная и газовая промышленность, энергетика, транспорт, фармацевтическое производство, космос, металлургия, горное дело, химия, образование, целлюлозно-бумажная промышленность, телекоммуникации и связь и др.

Специальности и функции разработчиков экспертных систем

В разработке экспертной системы участвуют представители следующих специальностей: эксперты, инженеры знаний и программисты.

Эксперт – это человек, способный ясно выражать свои мысли и пользующийся репутацией специалиста, умеющего находить правильные решения проблем в конкретной предметной области. Эксперт использует свои приёмы и ухищрения, чтобы сделать поиск решения более эффективным, и экспертная система моделирует все его стратегии.

Инженер знаний – человек, как правило, имеющий познания в информатике и искусственном интеллекте и знающий, как надо строить экспертные системы. Инженер знаний опрашивает экспертов, организует знания, решает, каким образом они должны быть представлены в экспертной системе и может помочь программисту в написании программ.

Программист разрабатывает инструментальное средство (если оно разрабатывается заново или впервые), содержащее в пределе все основные компоненты экспертной системы, и осуществляет его сопряжение с той средой, в которой оно будет использовано.

После разработки экспертной системы с ней начинают работу пользователи.

Пользователь – это человек, который использует уже построенную экспертную систему. Так пользователем может быть юрист, использующий её для квалификации конкретного случая; студент, которому экспертная система помогает изучать информатику и т.д. Термин пользователь несколько неоднозначен. Обычно он обозначает конечного пользователя, однако пользователем может быть:

    создатель инструмента, отлаживающий средство построения экспертной системы;

    инженер знаний, уточняющий существующие в экспертной системе знания;

    эксперт, добавляющий в систему новые знания;

    клерк, заносящий в систему текущую информацию.

Необходимо отметить, что отсутствие среди участников разработки инженеров по знаниям (т.е. их замена программистами) либо приводит к неудаче процесс создания экспертной системы, либо значительно удлиняет его.

Преимущества экспертных систем перед человеком-экспертом

Возникает вопрос: «Зачем разрабатывать экспертные системы? И не лучше ли обратиться к человеческому опыту, как это было в прошлом?». Отметим лишь основные преимущества, которые даёт использование экспертных систем. Преимуществом искусственной компетенции являются следующие качества.

1. Постоянство

Человеческая компетенция ослабевает со временем. Перерыв в деятельности человека-эксперта может серьёзно отразиться на его профессиональных качествах.

2. Лёгкость передачи

Передача знаний от одного человека другому – долгий и дорогой процесс. Передача искусственной информации – это простой процесс копирования программы или файла данных.

3. Устойчивость и воспроизводимость результатов

Экспертные системы устойчивы к «помехам». Человек же легко поддается влиянию внешних факторов, которые непосредственно не связаны с решаемой задачей. Эксперт-человек может принимать в тождественных ситуациях разные решения из-за эмоциональных факторов. Результаты экспертной системы – стабильны.