Классификация экспертных систем

По назначению различают специализированные экспертные системы и экспертные системы, разрабатываемые на базе программных оболочек (shells).

Специализированные экспертные системы характерны для первоначальных этапов развития экспертных систем, когда отсутствовала стандартизация программного обеспечения в целом. В настоящее время их разработка целесообразна либо в случае уникальности, когда невозможно использовать стандартные средства, либо, наоборот, достаточной простоты предметной области и вследствие высокой стоимости программных оболочек.

В настоящее время разработка экспертных систем в основном осуществляется путем разработки программных комплексов, называемых оболочками, способными реализовать широкий круг задач, и последующей разработки приложений к данному программному комплексу для решения узкоспециализированных задач. Реально количество приложений к одной программной оболочке, может составлять сотни и тысячи специализированных экспертных систем из самых различных областей знания.

В качестве типового примера сравнительно простой экспертной системы приведем данные о разработанной в Уральском государственном техническом университете экспертной системе управления производством металлизованных окатышей в шахтной печи. При ее создании исходили из того, что в настоящее время самые различные отрасли промышленности и народного хозяйства находятся в условиях нестабильности. Нестабильность характеризуется существенными нереализуемыми резервами в экономии затрат, связанными с издержками производства. Наиболее сильно это проявляется в энергонасыщенном производстве, когда малейшее отклонение от оптимального режима сопровождается огромными экономическими издержками. В процессе производства металлизованных окатышей имеются технологические ситуации, характеризующиеся частыми перестройками и переналадками, пусками и остановами шахтных печей, хаотичным изменением производительности, характеристик сырья, ограниченностью ресурсов во времени и энергоресурсов, непредсказуемостью целевых установок управления и т.д. Применили экспертную систему, учитывающую факторы нестабильности и содержащую два основных уровня обработки информации: информационный уровень и уровень идентификации. Учет влияния повышенных в условиях нестабильности возмущений осуществляется с помощью метода экспертной статистики, специально разработанного для этой цели и содержащего в своей базе знаний искусственный интеллект в виде систематизированных логических правил обработки информации, оформленных как специализированное программное обеспечение для IBM PC.

Указанная экспертная система включает в себя:

1) Анализ исходной информации, который состоит в оценке ее качества. Эта оценка проводится на основе объективного и субъективного контроля. Объективный контроль основан на информации с приборов, а субъективный оперативный контроль включает:

- учет влияния неконтролируемых факторов;

- экспертную оценку состояния печи;

- экспертную оценку текущей технологической ситуации.

2) Назначение границ изменения технологических параметров с целью дальнейшего удаления "ненадежных" данных на основе дисперсионного анализа.

3) Отсев граничных точек и точек, дающих неустойчивое решение, когда коэффициент корреляции меняет знак.

4) Выбор целевой функции и базового варианта технологической ситуации на основе: а) выбора детерминированно-статистической математической модели из базы знаний; б) оценки степени физичности получаемого результата с помощью beta-коэффициентов уравнения регрессии. в) функции компетентности эксперта, т.е. его способности оценивать достаточно надежно технологическую ситуацию.

5) Определение оптимального решения. На этом этапе эксперт на основе результатов многофакторного анализа исходной информации и приемов экспертной статистики формирует банк вариантов целевой функции. Процедура выбора оптимального варианта в режиме визуализации состоит в оценке степени приближения вида целевой функции, изображенной на экране монитора, к мысленному образу эксперта. Процедура использует известные методы распознавания образов на основе искусственного интеллекта.

Применение экспертной статистики существенно повысило надежность обработки текущей информации с шахтных печей. Это выразилось в увеличении коэффициента корреляции в несколько раз по сравнению с исходным значением.

Расчеты фактических и рекомендуемых параметров процесса металлизации оформляются после экспертного анализа и содержат экспертные оценки:

- составов, расходов и комплексных характеристик газообразных и твердых материалов;

- основных показателей процесса - удельных расходов, характеристик использования газов и их компонентов при металлизации, инертного газа, энергетических характеристик процесса;

- рекомендуемых значений задаваемых параметров нового (измененного) технологического режима;

- текущих рекомендуемых значений устанавливаемых параметров;

- выполнения персоналом технологической инструкции.

Рассмотренная система относится к числу специализированных сравнительно простых экспертных систем.

В качестве примера сложной специализированной экспертной системы рассмотрим разработку института программных средств Российской академии наук (демо-версия этой экспертной системы доступна в Интернет по адресу www.botik.ru/PCI/AIReC). Эта экспертная система имеет хорошо разработанный, типизированный под Windows интерфейс для общения с пользователем, который позволяет вводить и оценивать множество параметров. В частности, население региона разделено на категории (примерно 20) и задача эксперта или пользователя оценить возможную реакцию каждой категории населения на то или иное событие, включая и решения руководства. Далее система вывода дает интегрированную оценку ситуации. При этом система вывода оценки является «ноу-хау» разработчиков и в описании не рассматривается.

17.5. Программная оболочка G2

Типичной и наиболее известной программной оболочкой (свыше 50 % мирового рынка в 1995 году) для создания экспертных систем является программный продукт под названием G2 фирмы Gensym. Этот продукт и другие продукты такого класса предназначены для решения следующих задач:

- мониторинг в реальном масштабе времени;

- системы управления верхнего уровня;

- системы обнаружения неисправностей;

- диагностика; составление расписаний;

- планирование;

- оптимизация;

- системы – советчики оператора;

- системы проектирования.

Основными компонентами экспертной оболочки G2 являются база знаний, машина вывода, подсистема моделирования и планировщик. Дадим краткую характеристику каждой из этих подсистем.

Все знания в G2 хранятся в двух типах файлов: базы знаний и библиотеки знаний. В файлах базы знаний хранятся знания о приложениях: определения всех объектов, объекты, правила, процедуры и т.д. В файлах библиотеки знаний хранятся общие знания, которые могут быть использованы более чем в одном приложении, например, определения стандартных объектов. Знания в G2 структурируются следующими способами: иерархия классов, иерархия модулей, иерархия рабочих пространств.

Машина вывода в G2 выполняет рассуждения на основании:

- данных, содержащихся в базе знаний;

- данных, поступающих от подсистемы имитационного моделирования;

- данных, поступающих от внешних источников (контрольно-измерительной аппаратуры, СУБД и т.д.).

Процесс вывода происходит следующим образом: после обнаружения какой-либо проблемы машина вывода возбуждает (вводит в оперативную память) правила вывода. Далее определяются условия работы правил вывода с введенными данными, отбираются необходимые правила вывода (причем этот процесс может быть итеративным) и далее производится собственно сам вывод. Особенностью машины вывода G2 в отличие от программных продуктов аналогичного класса является богатый набор способов возбуждения правил.

В связи с тем, что G2-приложение может управлять множеством одновременно возникающих задач, необходим планировщик работы этих задач, управляющий доступом к ресурсам системы. В обычном режиме планировщик пользователю не виден, тем не менее он определяет порядок обработки задач, взаимодействует с источниками данных и пользователями, запускает различные процессы и осуществляет коммуникацию с другими процессами в сети.

Одним из возможных источников данных для G2 является подсистема моделирования внешнего окружения. В подсистеме моделирования предусмотрены следующие основные особенности:

- средства для вычисления алгебраических и разностных уравнений и дифференциальных уравнений первого порядка;

- возможность задания формул как для отдельных переменных, так и для классов переменных или параметров;

- возможность режима разделения времени, в результате чего подсистема моделирования может работать параллельно с остальными подсистемами G2, за счет чего осуществляется вычисление моделируемых значений для тех моментов времени, которые рассматриваются в машине вывода.

Подсистема моделирования G2 является достаточно автономной, но важной частью системы в целом. На различных этапах жизненного цикла приложений, создаваемых под оболочкой G2, она служит достижению различных целей. Во время разработки приложения подсистема моделирования используется вместо объектов реального мира для имитации показаний датчиков (поскольку использование показаний самих датчиков может быть дорого или вообще невозможно на этапе разработки).

На этапе эксплуатации приложения процедуры моделирования могут выполняться параллельно функциям мониторинга и управления процессом, что обеспечивает возможность верификации показаний датчиков во время работы приложения, а также подстановку модельных значений переменных при невозможности получения реальных данных (выход из строя датчика или длительное время между запросами). Эти возможности повышают в целом жизнеспособность приложения G2 и управляемого этим приложением объекта.

Стоимость этого программного продукта составляет десятки тысяч долларов, тем не менее, многие крупные компании считают выгодным его использование. В частности, в рекламных материалах фирмы (сервер www.gensym.com) указывается, что этот продукт в той или иной мере используют практически все компании, входящие в список 500 наиболее богатых компаний в мире.

Заметим, что G2 является оболочкой экспертной системы, т.е., набором программных продуктов, которые позволяют создавать конкретную экспертную систему. Для G2 созданы тысячи специализированных приложений, которые являются самостоятельными экспертными системами. Объединяет их единство идеологии и легкая переносимость идей и данных из одного приложения в другое.

Литература к теме:

1. Попов Э.В., Фоминых И.Б., Кисель Е.Б., Шапот М. Д. Статические и динамические экспертные системы – М.: Финансы и статистика – 2006. – 320 с.

2. Тельнов Ю.Ф. Интеллектуальные информационные системы в экономике – М.: СИНТЕГ – 2006. – 216 с.