Средства представления знаний и стратегии управления

Комплекс ЭКО включает три компонента.

Ядром комплекса является интегрированная оболочка экспертных систем ЭКО, которая обеспечивает быстрое создание эффективных приложений для решения задач анализа в статических проблемных средах типа 1 и 2.

При разработке средств представления знаний оболочки преследовались две основные цели: эффективное решение достаточно широкого и практически значимого класса задач средствами персональных компьютеров; гибкие возможности по описанию пользовательского интерфейса и проведению консультации в конкретных приложениях. При представлении знаний в оболочке используются специализированные (частные) -утверждения типа "атрибут - значение" и частные правила, что позволяет исключить ресурсоемкую операцию сопоставления по образцу и добиться эффективности разрабатываемых приложений. Выразительные возможности оболочки удалось существенно расширить за счет интегрированности, обеспечиваемой путем вызова внешних программ через сценарий консультации и стыковки с базами данных (ПИРС и dBase IV) и внешними программами. В оболочке ЭКО обеспечивается слабая структуризация БЗ за счет ее разделения на отдельные компоненты - для решения отдельных подзадач в проблемной среде - модели (понятию "модель" ЭКО соответствует понятие "модуль" базы знаний системы G2).

С точки зрения технологии разработки ЭС оболочка поддерживает подходы, основанные на поверхностных знаниях и структурировании процесса решения.

Оболочка функционирует в двух режимах: в режиме приобретения знаний и в режиме консультации (решения задач). В первом режиме разработчик ЭС средствами диалогового редактора вводит в БЗ описание конкретного приложения в терминах языка представления знаний оболочки. Это описание компилируется в сеть вывода с прямыми адресными ссылками на конкретные утверждения и правила. Во втором режиме оболочка решает конкретные задачи пользователя в диалоговом или пакетном режиме. При этом решения выводятся от целей к данным (обратное рассуждение).

Для расширения возможностей оболочки по работе с глубинными знаниями комплекс ЭКО может быть дополнен компонентом К-ЭКО (конкретизатором знаний), который позволяет описывать закономерности в проблемных средах в терминах общих (абстрактных) объектов и правил. К-ЭКО используется на этапе приобретения знаний вместо диалогового редактора оболочки для преобразования общих описаний в конкретные сети вывода, допускающие эффективный вывод решений средствами оболочки ЭКО. Таким образом, использование конкретизатора обеспечивает возможность работы с проблемными средами типа 2 (см. гл.З).

Третий компонент комплекса - система ИЛИС, позволяющая создавать ЭС в статических проблемных средах за счет индуктивного обобщения данных (примеров) и предназначенная для использования в тех приложениях, где отсутствие правил, отражающих закономерности в проблемной среде, возмещается обширным экспериментальным материалом. Система ИЛИС обеспечивает автоматическое формирование простейших конкретных правил и автономное решение задач на их основе; при этом используется жесткая схема диалога с пользователем. Поскольку при создании реальных приложений эксперты представляют, как правило, и знания о закономерностях в проблемной среде, и экспериментальный материал (для решения частных подзадач), возникает необходимость в использовании правил, сформированных системой ИЛИС, в рамках более сложных средств представления знаний. Комплекс ЭКО обеспечивает автоматический перевод таких правил в формат оболочки ЭКО. В результате удается получить полное (адекватное) представление реальной проблемной среды, кроме того, задать гибкое описание организации взаимодействия ЭС с конечным пользователем.

Инструментальный комплекс для создания экспертных систем реального времени (на примере интегрированной среды g2-gensym corp., Сша)

История развития ИС для создания ЭС реального времени началась в 1985 г., когда фирма Lisp Machine Inc. выпустила систему Picon для символьных ЭВМ Symbolics. Успех этого ИС привел к тому, что группа ведущих разработчиков Picon в 1986 г. образовала частную фирму Gensym, которая, значительно развив идеи, заложенные в Picon, в 1988 г. вышла на рынок с ИС под названием G2, версия 1.0. В настоящее время функционирует версия 4.2 и готовится к выпуску версия 5.0.

Основное предназначение программных продуктов фирмы Gensym (США) - помочь предприятиям сохранять и использовать знания и опыт их наиболее талантливых и квалифицированных сотрудников в интеллектуальных системах реального времени, повышающих качество продукции, надежность и безопасность производства и снижающих производственные издержки. О том, как фирме Gensym удается справиться с этой задачей, говорит хотя бы то, что сегодня ей принадлежат 50% мирового рынка экспертных систем, используемых в системах управления.

С отставанием от Gensym на 2 - 3 года другие фирмы начали создавать свои ИС для ЭС РВ. С точки зрения независимых экспертов NASA, проводивших комплексное исследование характеристик и возможностей некоторых из перечисленных систем, в настоящее время наиболее продвинутым ИС, безусловно, остается G2 (Gensym, США); следующие места со значительным отставанием (реализовано менее 50% возможностей G2) занимают RTWorks - фирма Talarian (США), COMDALE/C (Comdale Techn. - Канада), COGSYS (SC - США), ILOG Rules (ILOG - Франция).

Классы задач, для которых предназначена G2 и подобные ей системы:

мониторинг в реальном масштабе времени;

системы управления верхнего уровня;

системы обнаружения неисправностей;

диагностика;

составление расписаний;

планирование;

оптимизация;

системы - советчики оператора;

системы проектирования.

Инструментальные средства фирмы Gensym являются эволюционным шагом в развитии традиционных экспертных систем от статических предметных областей к динамическим. Немалую долю успеха фирме Gensym обеспечивают основные принципы, которых она придерживается в своих новых разработках:

проблемно/предметная ориентация;

следование стандартам;

независимость от вычислительной платформы;

совместимость снизу-вверх с предыдущими версиями;

универсальные возможности, не зависимые от решаемой задачи;

обеспечение технологической основы для прикладных систем;

комфортная среда разработки;

поиск новых путей развития технологии;

распределенная архитектура клиент-сервер;

высокая производительность.

Основным достоинством оболочки экспертных систем G2 для российских пользователей является возможность применять ее как интегрирующий компонент, позволяющий за счет открытости интерфейсов и поддержки широкого спектра вычислительных платформ легко объединить уже существующие, разрозненные средства автоматизации в единую комплексную систему управления, охватывающую все аспекты производственной деятельности - от формирования портфеля заказов до управления технологическим процессом и отгрузки готовой продукции. Это особенно важно для отечественных предприятий, парк технических и программных средств которых формировался по большей части бессистемно, под влиянием резких колебаний в экономике.

Кроме системы G2, как базового средства разработки, фирма Gensym предлагает комплекс проблемно/предметно-ориентированных расширений для быстрой реализации сложных динамических систем на основе специализированных графических языков, включающих параметризуемые операторные блоки для представления элементов технологического процесса и типовых задач обработки информации. Набор инструментальных сред фирмы Gensym, сгруппированный по проблемной ориентации, охватывает все стадии производственного процесса и выглядит следующим образом:

интеллектуальное управление производством - G2, G2 Diagnostic Assistant (GDA), NeurOn-Line (NOL), Statistical Process Control (SPC), BatchDesign_Kit;

оперативное планирование - G2, G2 Scheduling Toolkit (GST), Dynamic Scheduling Packadge (DSP);

разработка и моделирование производственных процессов - G2, ReThink, BatchDesign_Kit;

управление операциями и корпоративными сетями - G2, Fault Expert.

Несмотря на то, что первая версия системы G2 появилась не так давно - в 1988 г., ее даже в богатой Америке никто не назовет дешевой. G2 можно назвать бестселлером на рынке программных продуктов - на начало 1996 г. в мире было установлено более 5000 ее копий. Фирма Gensym обслуживает более 30 отраслей - от аэрокосмических исследований до производства пищевых продуктов. Список пользователей G2 выглядит как справочник Who-Is-Who в мировой промышленности. 25 самых крупных индустриальных мировых корпораций используют G2. На базе G2 написано более 500 действующих приложений.

Чем же объясняется успех инструментального комплекса G2? Прежде всего G2 - динамическая система в полном смысле этого слова. G2 - это объектно-ориентированная интегрированная среда для разработки и сопровождения приложений реального времени, использующих базы знаний. G2 функционирует на большинстве существующих платформ (табл.9.1). База знаний G2 сохраняется в обычном

Таблица 9.1 Платформы, на которых функционирует G2

Фирма-производитель	Вычислительная система	Операционная среда
Digital	VAX Зххх,4ххх,бххх,	VMS
Equipment	7ххх, 8ххх,9ххх
	DECstation Зххх, бххх	ULTRIX
	DEC Alpha APX	Open VMS, OSF/1,
		Windows
		NT
SUN	SUN-4	Sun OS
Microsystems
	SPARC 1,2, 10, LX,	Sun OS/Solaris 1, Solaris
	Classic	2.x
Hewlett Packard	НР9000/4хх, 7хх, 8хх	HP-UX
IBM	RISC 6000	AIX
Data General	AViiON	DG/UX
Silicon Graphics	IRIS, INDIGO	IRIX
ПЭВМ	Intel 486/Pentium	Windows NT, Windows-95
Motorola	Motorola 88000	UNIX
NEC	EWS 4800	EWS-UX/V

ASCII-файле, который однозначно интерпретируется на любой из поддерживаемых платформ. Перенос приложения не требует его перекомпиляции и заключается в простом переписывании файлов. Функциональные возможности и внешний вид приложения не претерпевают при этом никаких изменений.

Приобретением знаний называется выявление знаний из источников и преобразование их в нужную форму, а также перенос в базу знаний ИС. Источниками знаний могут быть книги, архивные документы, содержимое других баз знаний и т. п., т. е. некоторые объективизированные знания, переведенные в форму, которая делает их доступными для потребителя. Другим типом знаний являются экспертные знания, которые имеются у специалистов, но не зафиксированы во внешних по отношению к нему хранилищах. Экспертные знания являются субъективными. Еще одним видом субъективных знаний являются эмпирические знания. Такие знания могут добываться ИС путем наблюдения за окружающей средой (если у ИС есть средства наблюдения).

Ввод в базу знаний объективизированных знаний не представляет особой проблемы, выявление и ввод субъективных и особенно экспертных знаний достаточно трудны. Чтобы разработать методологию приобретения субъективных знаний, получаемых от эксперта, надо четко различать две формы репрезентации знаний. Одна форма связана с тем, как и в каких моделях хранятся эти знания у человека-эксперта. При этом эксперт не всегда осознает полностью, как репрезентированы у него знания. Другая форма связана с тем, как инженер по знаниям, проектирующий ИС, собирается их описывать и представлять. От степени согласованности этих двух форм репрезентации между собой зависит эффективность работы инженера по знаниям.

В когнитивной психологии изучаются формы репрезентации знаний (когнитивные структуры знаний) характерные для человека. Примерами могут служить [Хафман, 1986]: представление класса понятий через его элементы (например, понятие "птица" репрезентируется рядом чайка, воробей, скворец,...)

представление понятий класса с помощью базового прототипа, отражающего наиболее типичные свойства объектов класса (например, понятие "птица" репрезентируется прототипом нечто с крыльями, клювом, летает...) представление с помощью признаков (для понятия "птица", например, наличие крыльев, клюва, двух лап, перьев).

Кроме понятий репрезентируются и отношения между ними. Как правило, отношения между понятиями определяются процедурным способом, а отношения между составляющими понятий (определяющими структуру понятия) -декларативным способом. Наличие двух видов описаний заставляет в моделях представления знаний одновременно иметь оба компонента, например семантическую сеть и продукционную систему, как это представлено в когнитивной модели [Anderson, 1983].

При приобретении знаний важную роль играют так называемое поле знаний в котором содержатся основные понятия, используемые при описании предметной области, и свойства всех отношений, используемых для установления связей

между понятиями. Поле знаний связано с концептуальной моделью проблемной области, в которой еще не учтены ограничения, которые неизбежно возникают при формальном представлении знаний в базе знаний. Переход от описания некоторой области в поле знаний к описанию в базе знаний аналогичен переходу от концептуальной модели базы данных к ее логической схеме, когда уже зафиксирована система управления базой данных. Важно отметить, что переход непосредственна к формальным представлениям в базе знаний без этапа концептуального описания в поле знаний приводит к многочисленным ошибкам, что замедляет процесс формирования базы знаний ИС.

Возможны три режима взаимодействия инженера по знаниям с экспертом-специалистом: протокольный анализ, интервью и игровая имитация профессиональной деятельности. Протокольный анализ заключается в фиксации (например, путем записи на магнитную ленту "мыслей вслух" эксперта во время решения проблемы и в последующем анализе полученной информации. В режиме интервью инженер по знаниям ведет с экспертом активный диалог, направляя его в нужную сторону. При игровой имитации эксперт помещается в ситуации, похожие на те в которых протекает его профессиональная деятельность. Наблюдая за его действиями в различных ситуациях, инженер по знаниям, формирует свои соображения об экспертных знаниях, которые впоследствии могут быть уточнены с экспертом в режиме интервью. Принципы игровой имитации нашли применение в разнообразных деловых играх, специальных тренажерах.

Каждый из упомянутых способов извлечения знаний имеет свои преимущества и недостатки. Так, при анализе протоколов инженеру по знаниям нелегко отделить понятия, важные для включения в словарь предметной области, от тех, которые при "мыслях вслух" появляются случайно. Кроме того, в протоколах обнаруживаются пробелы, когда рассуждение эксперта как бы прерывается и продолжается уже на основе пропущенных шагов вывода. Заполнение подобных лакун возможно лишь в режиме интервью. Таким образом, во всех трех подходах к извлечению знаний из экспертов необходим этап интервью, что делает его одним из важнейших методов приобретения знаний.

Существует не менее двух десятков стратегий интервьюирования. Наиболее известны три: разбиение на ступени, репертуарная решетка и подтверждение сходства,

При разбиении на ступени эксперту предлагается назвать наиболее важные, по его мнению, понятия предметной области и указать между ними отношения структуризации, т. е. отношения типа "род-вид", "элемент-класс", "целое- часть" и т. п. Эти понятия используются на следующем шаге опроса как базовые. Стратегия нацелена на создание иерархии понятий предметной области, выделение в понятиях тесно связанных между собой групп- гаксонов (кластеров).

Стратегия репертуарной решетки направлена на выявление характеристических свойств понятий, позволяющих отделять одни понятия от других. Методика состоит в предъявлении эксперту троек понятий с предложением назвать признаки для каждых двух понятий, которые отделяли бы их от третьего. Так как каждое понятие входит в несколько троек, то на основании такой процедуры происходит уточнение объемов понятий и формируются "симптокомплексы" понятий, с помощью которых эти понятия могут идентифицироваться в базе знаний.

Стратегия подтверждения сходства состоит в том, что эксперту предлагается установить принадлежность каждой пары понятий из предметной области к некоторому отношению сходства (толерантности). Для этого эксперту задается последовательность достаточно простых вопросов, цель которых заключается в уточнении того понимания сходства, которое вкладывает эксперт в утверждение о сходстве двух понятий предметной облает.

Процесс взаимодействия инженера по знаниям (аналитика) с экспертом-специалистом включает три основных этапа.

1. Подготовительный этап. Для успеха общения оба участника должны тщательно подготовиться к диалогу или игре. Желательно, чтобы эксперт был не только компетентным специалистом, но и заинтересованным (морально или материально) лицом в достижении конечной цели-построении ИС. Он должен быть доброжелателен к аналитику и уметь объяснять свои знания (наилучший случай когда эксперт имеет опыт преподавательской работы).

Аналитику необходимо: глубоко познакомиться со специальной литературой по предметной области" чтобы не задавать очень "глупых" вопросов (просто "глупые" вопросы бывают чрезвычайно полезны), а также увеличить количество "пакетов ожиданий" [Шенк и др., 1987]; уметь слушать и грамотно задавать вопросы; настроиться на роль "ученикам, а не "экзаменатора"; разбираться в моделях когнитивной психологии, а также в моделях представления знаний, чтобы из знаний эксперта выделять четкие структуры.

В любой совместной деятельности большое значение имеют психологические качества исследователей, такие как личность, манера поведения, стиль научного мышления. Существуют различные классификации научных работников. В качестве примера приведем следующую: инициатор - быстро реагирует на перспективные проблемы, т. е. один из первых ощущает необходимость решения проблемы с элементами неопределенности; диагност-способен к быстрой оценке сильных и слабых сторон решения задачи, эрудит-наделен исключигельной памятью, отличается повышенным вниманием к деталям и стремлением к упорядоченности; ремесленник - способен воплощать в жизнь плохо оформленные идеи других; эстет - стремится исследовать проблемы, приводящие к изящным решениям, не склонен к кропотливому труду; методолоза интересован методологическими аспектами исследований; независимый-стремится к индивидуальному решению проблем; фанатик-самоотверженно увлечен своей научной проблемой, того же требует и от окружающих.

Принадлежность научного работника к тому или иному типу определяется с помощью косвенных методик (тестов личности, интеллекта, когнитивных стилей. проектных методик). Автоматизация опроса и получения психологического портрета испытуемого реализована, например, в системе АВТАНТЕСТ [Гаври-лова. 1984].

Для роли эксперта наиболее предпочтительны инициатор эрудит, диагност и ремесленник (в паре с аналитиком-эрудитом), а для роли аналитика-диагност, методолог, эрудит, инициатор. При этом наилучшее сочетание дают сочетания разных типов. Благодаря различиям в подходах к решению задачи, в точках зрения, стиле мышления восприятия, памяти и т. п. участники в такой паре с разных сторон подходят к поставленной цели, в результате увеличивается общее количество гипотез, идей, альтернативных вариантов, а следовательно, обогащается поле знаний. Однако не все сочетания даже из приемлемых типов улучшают взаимодействие, а некоторые типы (например, фанатик, эстет, независимый. ремесленник) часто слабо приспособлены для творческого взаимодействия, что приводит к возникновению скрытых и явных конфликтов, которые усложняют процесс продуктивного общения.

Важное значение имеет также лидерство в паре. В ходе любого диалога одна сторона обычно занимает позицию ведущей, чаще эту роль берет интервьюер, т. е. аналитик. Роль лидера в диалоге позволяет аналитику направлять и систематизировать процесс создания поля знания, не давая эксперту "размыть" или излишне детализовать процесс. С другой стороны, догматизм и настойчивость могут привести к неадекватному полю. Имеет место также эффект "фасада", т. е. желание эксперта не ударить "в грязь лицом" перед аналитиком, и отсюда генерирование неподтвержденных гипотез.

2. Установление "общего кода". Для создания лингвистического альянса взаимодействия участники взаимодействия должны пытаться сократить "расстоянием между объектом (т. е. исследуемой предметной областью) и аналитиком. Необходимо определить главные понятия, т. е. выработать словарную основу базы знаний; уровень детализации; взаимосвязи между понятиями.

3. Гносеологический этап. На этом этапе происходит выяснение закономерностей, присущих предметной области, условий достоверности и истинности утверждений, структурирование за счет введения отношений и т. п. Этот этап является определяющим во взаимодействии аналитика и эксперта, В процессе анализа игры или диалога вербализуется и формализуется знание эксперта и зачастую для него самого порождается новое знание. Репрезентация внешнего мира в его памяти получает материальное воплощение в форме поля знаний.

В процессе извлечения знаний сначала желательно получить от эксперта поверхностные знания такие например, как репрезентация признаков), постепенно переходя к глубинным структурам и более абстрактным понятиям (таким, например, как прототипы).

При формировании поля знаний учитываются особенности эмпирического знания: модальность, противоречивость, неполнота и т. д,

Аналитик должен за частным всегда видеть общее, т. е. строить цепочки 1факт - обобщенный факт - эмпирический закон - теоретический закон". Центральное звено цепочки - формализация эмпирики. При этом иногда основным на этапе формализации становится не извлечение "слепых" непонятных связей, а понимание внутренней структурной связи понятий предметной области. Искусство аналитика состоит в стремлении к созданию ясной и понятной модели проблемной области.

Следует также учитывать, что эксперты в проблемной области не всегда опираются на логические рассуждения. В их представлениях о проблемной области и методах решения задач, характерных для нее, широкое применение находят ассоциативные рассуждения и рассуждения правдоподобия. Опишем примерную методику работы с экспертом по формированию поля знаний.