Информационные технологии в управлении качеством

      Поверхностные знания: «Если нажать на кнопку звонка, раздастся звук. Если болит голова, то следует принять аспирин».

      Глубинные знания: «Принципиальная электрическая  схема звонка и проводки. Знания физиологов и врачей высокой квалификации о причинах, видах головных болей  и методах их лечения».

      Современные экспертные системы работают в основном с поверхностными знаниями.

      Кроме того, знания традиционно делятся  на процедурные и декларативные.

      Процедурные знания описывают последовательности действий, которые могут использоваться при решении конкретных прикладных задач. Это, например, программы для компьютеров, словесные записки алгоритмов, документированные процедуры выполнения какого-либо процесса, инструкции по выполнению определенных действий.

      Декларативные знания – это все знания, не являющиеся процедурными, например, положения толковых словарей и энциклопедий, научные статьи, формулировки законов и т. п.

      В отличие от процедурных знаний, отвечающих на вопрос: «Как сделать объект X?», декларативные знания отвечают на вопросы: «Что есть объект X?» или «Какие связи имеются между объектами X и Y?» и т. п.

      Существуют  десятки моделей (или языков) представления  знаний для различных предметных областей. Большинство из них может  быть сведено к следующим классам:

• продукционные модели;
• семантические сети;
• фреймы;
• формальные логические модели.

 
 

     3.1 Продукционные модели 

      Продукционная модель или модель, основанная на правилах, позволяет представить знания в  виде предложений типа «Если (условие), то (действие)».

      Каждое  правило состоит из двух частей:

1. антецедент – это элементарное предложение, которое может быть соединено логическими связками И, ИЛИ;
2. консеквент – представляет собой одно или несколько предложений, которые образуют решение или указывают на действие, подлежащее выполнению.

      Каждое  правило включает в себя атрибуты и значения. Любое правило состоит  из одной или нескольких пар атрибутов  или значений («двигатель» - атрибут, «не заводится» - значение). 

     3.2 Семантические модели (сети) 

      Семантическая сеть – это ориентированный граф, вершины которого – понятия, а  дуги – отношения между ними.

      В качестве понятий обычно выступают  абстрактные или конкретные объекты, а отношения – это связи  типа: «это», «имеет частью», «принадлежит»  и т. п.

      Характерной особенностью семантических сетей  является обязательное наличие трех типов отношений: класс – элемент  класса; свойство – значение; пример элемента класса. 

     3.3 Фреймы 

      Фрейм (от англ. frame – рамка, каркас) представляет собой минимально возможное описание сущности какого-либо явления, события, ситуации, процесса или объекта и  используется для обозначения структуры  знаний с целью восприятия пространственных сцен.

      Различают фреймы-образцы (прототипы), хранящиеся в базе знаний и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения  реальных фактически ситуаций на основе поступающего потока данных.

      Модель  фрейма использует следующие элементы: фреймы-структуры, использующиеся для  обозначения объектов и понятий; фреймы-роли; фреймы-сценарии.

      Фрейм имеет почти однородную структуру  и состоит из стандартных единиц, называемых слотами. Каждая такая единица  – слот – содержит название и свое значение.

       

     3.4 Формальные логические модели 

      Эти модели представляют собой некоторое  логическое исчисление.

      Все знания о предметной области описываются  в виде набора формул и аксиом или  правил вывода.

      В виде формул представляются декларативные  знания, а в виде правил вывода –  процедурные знания.

      Эти модели широко использовались на ранних стадиях развития интеллектуальных систем, но сейчас они мало используются. Это объясняется громоздкостью  записей, при формировании которых  легко допустить ошибки, а поиск  их очень сложен.

      В современных экспертных системах чаще всего используется 3 наиболее приемлемые модели представления знаний: самая  популярная продукционная модель, а  также семантические сети и фреймы.

      В последнее время наметилась тенденция  создавать комбинированные модели. Чаще всего комбинируют фреймовые  и продукционные модели [5]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      4 Технология проектирования экспертных систем 
 

      Этапы проектирования экспертной системы:

• выбор проблемы
• разработка прототипа ЭС
• доработка до промышленной ЭС
• оценка ЭС
• стыковка ЭС
• поддержка ЭС

      Указанная последовательность этапов дана только с целью получения общего представления  о процессе создания идеального проекта. В действительности каждый последующий  этап проектирования может принести новые идеи, которые могут повлиять на предыдущие решения и даже привести к их полной переработке.

      4.1 Выбор подходящей проблемы

 

      Данный  этап определяет деятельность, предшествующую решению начать разработку  конкретной ЭС и включает следующие элементы:

1. определение проблемной области и задачи;
2. поиск эксперта, желающего сотрудничать при решении проблемы;
3. формирование коллектива разработчиков;
4. определение предварительного подхода к решению проблемы;
5. анализ расходов и прибылей от разработки;
6. подготовку подробного плана разработки.

      4.2 Разработка прототипа ЭС

 

      Прототипная система является усеченной версией  экспертной системы, спроектированной для проверки правильности кодирования фактов, связей и стратегий рассуждения эксперта. Схема разработки прототипа представлена на рисунке 3. 

    

    Рисунок 3 – Схема разработки прототипа

     

      На  стадии идентификации проблемы уточняется задача, планируется ход разработки прототипа экспертной системы и  определяются:

• необходимые ресурсы (время, люди, ЭВМ и т. д.);
• источники знаний (книги, дополнительные эксперты, методики);
• имеющиеся аналогичные экспертные системы;
• цели (распространение опыта, автоматизация рутинных действий и др.);
• классы решаемых задач и т. д.

      Идентификация проблемы представляет собой знакомство и обучение членов коллектива разработчиков, а также создание неформальной формулировки проблемы.

      Средняя продолжительность стадии колеблется от одной до двух недель.

      На  стадии извлечения знаний происходит перенос компетентности от эксперта к инженеру по знаниям, с использованием различных методов (рисунок 4).

      Извлечение  знаний заключается в получение  инженером по знаниям наиболее полного  из возможных представлений о  предметной области и способах принятия решения в ней.

      Средняя продолжительность составляет 1-3 месяца.

      

      Рисунок 4 – Методы извлечения знаний 

      На  стадии структурирования (концептуализации) знаний выявляется структура полученных знаний о предметной области, то есть определяются:

• терминология;
• список основных понятий и их атрибутов;
• отношения между понятиями;
• структура входной и выходной информации;
• стратегия принятия решений;
• ограничения стратегий и т. д.

      Структурирование  знаний представляет собой разработку неформального описания знаний о предметной области в виде графа, таблицы, диаграммы или текста, которое отражает основные концепции и взаимосвязи между понятиями предметной области. Такое описание называется полем знаний.

      Средняя продолжительность этапа составляет 2-4 недели.

      На  стадии формализации строится формализованное  представление концепций предметной области на основе выбранного языка  представления знаний (формальные логические модели, продукционные модели, семантические  сети, фреймы).

      Средняя продолжительность составляет 1-2 месяца.

      На стадии реализации программист превращает формализованные знания в работающую компьютерную программу. Написание программы требует содержания, формы и согласования. Содержание берется из структур знаний (формализованных предметных знаний), правил вывода и стратегий управления, необходимых для решения задачи. Форма задается языком, выбранным для разработки системы. Согласование включает в себя комбинирование различных порций знаний с целью устранить неувязки между составляющими программы.

      Таким образом, реализация – разработка программного комплекса, демонстрирующего жизнеспособность подхода в целом. Чаще всего первоначальная программа (первый прототип) пересматривается или отбрасывается при дальнейшей разработке.

      Средняя продолжительность – 1-2 месяца.

      Стадия  тестирования включает оценивание качества работы и полезности программы-прототипа и ее пересмотр, если это необходимо. Эксперт обычно оценивает прототип и помогает заставить разработчиков заново пройти через разные этапы разработки.

      Оценивание  качества работы системы-прототипа  состоит в ответе на следующие  вопросы:

• принимает ли система решения, которые обычно признаются экспертами правильными?
• являются ли правила вывода безошибочными, непротиворечивыми и полными?
• адекватно ли объяснения системы описывают, как и почему были получены те или иные заключения?

      Оценивание  полезности системы заключается  в ответе на следующие вопросы:

•   помогает ли решение задачи пользователю сколь нибудь существенным образом?
•   являются ли заключения системы упорядоченными и изложенными с нужной степенью подробности?
•   удовлетворяет ли пользователя скорость работы системы?

      Средняя продолжительность 1-2 недели.

      4.3 Доработка до промышленной ЭС

 

      Включает следующие  этапы (уровни) доработки:

1. демонстрационный прототип;
2. исследовательский прототип;
3. действующий этап (этап опытной эксплуатации);
4. промышленный прототип;
5. коммерческая система.

      Демонстрационный  прототип представляет собой небольшую  программу, решающую только некоторую  часть поставленной задачи. Этот этап необходим для оценки общей концепции  ЭС и привлечения средств кредиторов на разработку ЭС. На разработку ДП требуется  от 1 до 3 месяцев. БЗ может содержать 50-100 правил или понятий.

      Исследовательский прототип представляет собой программу  среднего размера, которая дает правильный ответ в ряде пробных случаев, но неустойчива в работе из-за неполного  тестирования. Они могут ошибаться  даже в пределах области компетенции. На разработку ИП требуется от 1 года до 2-х лет. БЗ может содержать  порядка 200-500 правил или понятий.

      Действующий прототип (этап/уровень опытной эксплуатации) – программа среднего или большого размера, которая подвергалась пересмотру после тестирования пользователями. Они имеют удобный интерфейс  и ориентированы на нужды конечного  пользователя. Требуют на разработку от 2-х до 3-х лет и содержат от 500 до 1000 правил.