Лекция 10. Особенности проектирования экспертных систем. Методология и этапы построения экспертной системы.

Разработка ЭС имеет существенные отличия от разработки обычного программного продукта. Опыт создания ЭС показал, что использование при их разработке методологии, принятой в традиционном программировании, либо чрезмерно затягивает процесс создания ЭС, либо вообще приводит к отрицательному результату.

Использовать ЭС следует только тогда, когда разработка ЭС возможна, оправдана и методы инженерии знаний соответствуют решаемой задаче. Чтобы разработка ЭС была возможной для данного приложения, необходимо одновременное выполнение по крайней мере следующих требований:

1) существуют эксперты в данной области, которые решают задачу значительно лучше, чем начинающие специалисты;

2) эксперты сходятся в оценке предлагаемого решения, иначе нельзя будет оценить качество разработанной ЭС;

3) эксперты способны вербализовать (выразить на естественном языке) и объяснить используемые ими методы, в противном случае трудно рассчитывать на то, что знания экспертов будут " извлечены" и вложены в ЭС;

4) решение задачи требует только рассуждений, а не действий;

5) задача не должна быть слишком трудной;

6) задача хотя и не должна быть выражена в формальном виде, но все же должна относиться к достаточно " понятной" и структурированной области;

7) решение задачи не должно в значительной степени использовать " здравый смысл"

Применение ЭС может быть оправдано одним из следующих факторов:

· решение задачи принесет экономический эффект;

· использование человека-эксперта невозможно либо из-за недостаточного количества экспертов;

· использование ЭС целесообразно в тех случаях, когда при передаче информации эксперту происходит потеря времени или информации;

· использование ЭС целесообразно при необходимости решать задачу в окружении, враждебном для человека.

Приложение соответствует методам ЭС, если решаемая задача обладает совокупностью следующих характеристик:

1) задача может быть естественным образом решена посредством манипуляции с символами, а не манипуляций с числами;

2) задача должна иметь эвристическую, а не алгоритмическую природу, т.е. ее решение должно требовать применения эвристических правил

3) задача достаточно сложна, чтобы оправдать затраты на разработку ЭС;

4) задача должна быть достаточно узкой, чтобы решаться методами ЭС, и практически значимой.

Проектирование ЭС имеет существенное отличие от проектирования традиционных информационных систем в силу того, что постановка задач, решаемых экспертной системой может уточняться во время всего цикла проектирования. В силу отмеченных особенностей при проектировании ЭС применяется концепция “быстрого прототипа”. Ее суть: разработчики не пытаются сразу построить законченный продукт. На начальном этапе создается прототип, который должен удовлетворять двум условиям:

1) он должен решать типичные задачи предметной области;

2) с другой стороны трудоемкость его разработки должна быть очень незначительной.

Для удовлетворения этих условий при создании прототипа используются инструментальные средства, позволяющие ускорить процесс программирования ЭС (скелетные языки, оболочки ЭС).

В ходе работ по созданию ЭС сложилась определенная технология их разработки, включающая шесть следующих этапов (рисунок 5): идентификацию, концептуализацию, формализацию, выполнение, тестирование, опытную эксплуатацию. На этапе идентификации определяются задачи, которые подлежат решению, выявляются цели разработки, определяются эксперты и типы пользователей.

На этапе концептуализации проводится содержательный анализ проблемной области, выявляются используемые понятия и их взаимосвязи, определяются методы решения задач.

На этапе формализации выбираются ИС и определяются способы представления всех видов знаний, формализуются основные понятия, определяются способы интерпретации знаний, моделируется работа системы, оценивается адекватность целям системы зафиксированных понятий, методов решений, средств представления и манипулирования знаниями.

На этапе выполнения осуществляется наполнение экспертом базы знаний.

Рисунок 5. Основные этапы разработки ЭС

Кроме того, построение ЭС включают обратные связи

a. Переформулирование

b. Переконструирование.

c. Усовершенствование.

d. Завершение

В состав функций этапа 1 входит:

1) определение команды проектировщиков, их роли, а также формы взаимоотношений;

2) определение целей разработок и ресурсов;

3) описание общих характеристик проблемы, входных данных, предполагаемого вида решения, ключевых понятий и отношений.

Типичные ресурсы этого этапа: источники знаний, время разработки, вычислительные ресурсы, объем финансирования.

На этапе 2 эксперт и инженер по знаниям формализуют ключевые понятия, отношения и характеристики, которые выявлены на предыдущем этапе. Данный этап призван решить следующие вопросы: определить типы данных, выводимые понятия, используемые стратегии и гипотезы, виды взаимосвязей между объектами, типы ограничений, накладываемых на процесс решения задачи, состав знаний, которые используются для выработки и обоснования решений.

На этапе 3 производится описание всех ключевых понятий и отношений на формальном языке. Инженер по знаниям производит анализ инструментальных систем и определяет их пригодность для конкретного приложения. Выходом данного этапа является формальное описание всего процесса решения задачи на уровне декларативных и процедурных знаний.

Этап 4 заключается в разработке одного или нескольких прототипов. Этот этап выполняется программистом и заключается в наполнении базы знаний инструментальной системы конкретными знаниями, а также программировании отдельных компонент системы. ы.

Этап 5 оценивает пригодность ЭС для конечного пользователя. По результатам 5-го этапа может понадобиться не только модификация программного обеспечения, но и идеологии разработки интерфейса.

Этап 6. Призван осуществлять оценку системы в целом. Тут необходимо особое внимание уделить подбору тестовых примеров. В них должны найти отражение следующие случаи:

- неверно сформулированные вопросы пользователя;

- присутствие неопределенности в вопросах пользователя;

- доступность для пользователя лексики системы;

- доступность для пользователя объяснений, которые выдает система;

- противоречивость и неполнота правил;

- согласование контекстов действия правил.

По результатам 6-го этапа осуществляется модификация системы. Наиболее простым её видом является усовершенствование прототипов. Этот вид затрагивает только этапы 4 и 6.