Этапы создания экспертных систем

Экспертные системы - это интерактивные автоматизированные системы управления, способные вести активный диалог с пользовате­лем и не только отвечать на поставленные вопросы, но и анализиро­вать ситуацию, комментировать и пополнять знания, вырабатывать решения. Эти решения должны быть не хуже заключений квалифици­рованного эксперта в данной области знаний. Практический и теоре­тический интерес к ЭС объясняется тем, что они позволяют решать задачи оперативно-технологического класса, не поддающиеся форма­лизации. Кроме того, нередко реализовать оптимизационные решения практически невозможно из-за многих допущений, которые приходит­ся принимать при постановке задач, и ограниченности временных ресурсов и мощности технических средств.

ЭС получают широкое распространение в самых различных сферах деятельности - в медицине, строительстве, геологии, при планирова­нии производства и на транспорте. В области планирования и опера­тивного управления выделяют три типа интеллектуальных систем, составляющих основу ЭС:

§ вопросо-ответные системы, взаимодействующие с базами данных на ограниченном естественном языке;

§ расчетно-логические системы, позволяющие, автоматически выби­рать методы решения задач и формировать программу в предметной области;

§ ЭС, позволяющие обобщать, хранить, использовать знания и опыт, накопленные высококвалифицированными специалистами. Специа­листы считают, что ЭС могут применяться при конструировании и проектировании, особенно на стадии предпроектного анализа для предварительного определения преимуществ техники других техни­ческих и технологических структур.

При проектировании ЭС получал признание принцип быстрого прототипа, когда разработчики системы сразу не ставят целью выдать конечный продукт. Такой прототип должен продемонстрировать пригодность разработок инженера по знаниям. Рассмотрим краткое содержание отдельных этапов.

На этапе идентификации определяются участки проектирования и их роли: идентифицируется проблема, характеризуется проблемная область - объект управления, уточняются ресурсы и цели; устанавли­ваются источники знаний, осуществляется содержательное описание проблемы, например планирование и управление маневровой работой на грузовой станции. При создании ЭС типичными ресурсами являются источники знаний (технологические процессы, инструкции, указания вышестоящих органов управления), время разработки, модели вычис­лительной техники, объемы финансирования. Задача идентификации целей состоит в формулировании стратегической цели. Все перечис­ленные вопросы должны получить развитие в Техническом задании.

На стадии концептуализации эксперт, инженер по знаниям экс­плицирует ключевые понятия, отношения между объектами и харак­теристики. На этой стадии устанавливаются: типы доступных данных; содержание выходных результатов, в частности структура плана для маневрового диспетчера; идентификация подпроблем общей пробле­мы; стратегии и гипотезы; характер взаимодействия между объектами предметной области (маневровыми средствами, автомобильными и железнодорожными грузовыми фронтами, станционными путями); виды отношений (наличие иерархической зависимости между подпро­цессами и объектами, действие "причина - следствие", "часть -целое" и т. д.); характер ограничений и состав знаний.

На этом этапе целесообразно составить протокол действий экспер­та хотя бы для одной задачи. При этом, как считают специалисты, не нужно доби­ваться полноты и корректности разрабатываемой проблемы.

На этапе формализации ключевые понятия и отношения, введен­ные на этапе концептуализации выражаются на некотором формаль­ном языке, например на языке исчисления предикатов, теории графов. Завершает этап описание процесса решения рассматриваемой пробле­мы на предложенном формальном языке - определяются состав и способы представления знаний.

В процессе формализации знаний выполняется построение модели исследуемой проблемы, например построение плана маневровой работы с использованием графа раскрытия вершин знаний и задач.

На этапе выполнения создается один или несколько прототипов ЭС. Обычная ошибка разработчиков при создании прототипа, считают специалисты, состоит в том, что процесс приобретения знаний откла­дывают до полного завершения программирования. Необходимо начинать приобретение знаний, как только составлены программы, позволяющие работать в простейшем представлении знаний. Здесь не ставится цель немедленно добиться высокой эффективности системы, а реализуется простейшая процедура вывода. После завершения первого прототипа необходимо расширить круг задач для разра­ботки следующей версии ЭС, расширить базу знаний, которые необхо­димо структурировать.

При тестировании осуществляется оценка выбранного способа представления знаний на всей ЭС. Выявляются ошибки и недостатки функционирования при вводе-выводе, правил вывода, управляющих стратегий. Тестирование осуществляется в лабораторных условиях.

В процессе опытной эксплуатации определяется пригодность системы для конечного пользователя. Система занимается решением всех задач, указанных в Техническом задании не на стенде, а на одной из станций. С точки зрения пользователя проверяются удобство, гибкость, устойчивость к ошибкам. После опытной эксплуа­тации может потребоваться не только модификация (программы, данные), но и изменение устройства ввода-вывода.

Модификация связана с переформированием понятий и требова­ний, реконструированием представлений и усовершенствованием прототипа. На этом этапе осуществляется возврат от этапа тестирова­ния к этапу формализации. Объясняется это необходимостью измене­ния системы представления знаний. Возврат на этапы идентификации и концептуализации связан с переформулированием решаемых задач.

На железнодорожном транспорте в рамках АСУЖТ создаются АСУ такими транспортными объектами, как грузовые и сортировочные станции, подъездные пути промышленных предприятий и т. д. Помимо информационно-справочных задач, при разработке АСУС предусмат­ривается решение оперативно-технологических задач. К ним относятся планирование работы маневровых локомотивов, ПРМ, распределение вагонов по грузовым пунктам и т. д. На основе АСУС ставится задача составления сменно-суточного плана работы станции с прогнозированием ситуации на ближайшую перс­пективу и достоверным планированием основных технико-экономиче­ских показателей - объемов погрузки и выгрузки грузов, времени обслуживания вагонов и автомобилей, статической нагрузки транс­портных средств, объемов работы по формированию и расформирова­нию поездов и др. Эффективным инструментом для решения перечис­ленных задач являются ЭС, так как многие из этих задач не поддаются формализации.

Результаты решения оперативно-технологических задач необхо­димы руководителям станции - диспетчеру, начальнику и дежурному по станции (лицам, принимающим решение). Известно, что научной основой построения ЭС является быстро развивающаяся теория искус­ственного интеллекта. Применение ЭС для решения некоторой опера­тивно-технологической задачи в конечном счете сводится к построе­нию ее компьютерной модели с использованием, как указано выше, базы данных и базы знаний, содержащихся в памяти ЭВМ. База зна­ний - это основной специфический элемент ЭС. "Ядром" базы знаний являются процедуральные знания, которые собираются опросом специалистов в данной предметной области. Образует базу знаний продукционная система, представляющая собой множество продук­ций - правил решения задач. В свою очередь система продукций в ЭС - это метод организации программ в виде базы данных, списка порождающих правил, которые применяются при формировании ответов ЭС, а также методы выбора этих правил.

Ключевым понятием представления знаний в ЭС является фрейм. Фрейм - система знаний для представления некоторых стандартных стереотипных ситуаций, в том числе, модулей - процедур. Фреймы из базы знаний вызываются по соответствию текущей информации о состоянии транспортного объекта. Системы фреймов образуют инте­грированную модель - поисковую информационную сеть. Фрейм рассматривается как модуль представления знаний. Незаполненные части фреймов - слоты. Наличие слотов придает свойство адаптивно­сти модели.

В зависимости от содержания и физической природы управляемо­го технологического процесса различают различные виды фреймов. Например, фрейм "назначение" описывает производственный цикл -процесс подачи и уборки вагонов на грузовом фронте или адресова­ние грузов на складе; фрейм "распределение" - расформирование состава вагонов; фрейм "закон" моделирует процесс расчета или реализации некоторых аналитических зависимостей и т. д. При поиске решения с помощью прямой или обратной цепочки рассуждений строят логическую последовательность правил - продукций, каждая из которых состоит из первой условной части "если" и второй части логического вывода "то". В условной части также могут быть постав­лены вопросы "как", "почему" и т. д. При построении дерева решения они модифицируются в виде логических процедур - конъюнкций "и" и дизъюнкций "или".

АСУ СС