Разработка интеллектуальных систем

В исследовательских условиях ИС разрабатываются как прототипы, на основе которых далее создаются и внедряются конечные программные продукты, которые могут представлять промышленные ИС.

Процесс разработки промышленных ИС практически для любой проблемной области включает несколько этапов [ 12).

• 1. Выбор проблемы. Этот этап определяет проблемную область и задачи будущей системы, включает нахождение экспертов для сотрудничества при разработке БЗ, составление технического задания с анализом расходов и прибылей, а также обеспечивает подготовку плана работы. Заметим, что кроме экспертов требуются инженеры по знаниям и обработке данных. Общая цель данного этапа — убедиться в том, что данная задача может быть решена, и создать условия для ее успешного решения.
• 2. Разработка прототипа системы. Результатом этого этапа является прототип, представляющий собой усеченную версию ИС, спроектированную для проверки правильности кодирования фактов, связей и стратегий экспертов. Объем прототипа может быть небольшим: несколько десятков правил, фреймов или примеров. Поэтому коллектив разработчиков может быть минимальным. Язык для кодирования прототипа предпочтительно выбирать из числа специализированных, например Prolog или Lisp, поскольку это упрощает написание кода программы.

В рамках этого этапа можно выделить следующие стадии:

• 1) идентификация проблемы — знакомство и обучение членов коллектива разработчиков, а также создание неформальной формулировки проблемы;
• 2) извлечение знаний — получение инженером по знаниям наиболее полного из возможных представлений о предметной области и способах принятия решений в ней;
• 3) структурирование знаний — разработка неформального описания знаний о предметной области в виде графа, таблицы, диаграммы или текста, которое отражает основные концепции и взаимосвязи между понятиями предметной области;
• 4) формализация — разработка базы знаний на языке представления знаний, который соответствует структуре поля знаний и позволяет реализовать прототип системы на следующей стадии программной реализации;
• 5) реализация — разработка программного комплекса, демонстрирующего жизнеспособность подхода в целом (чаще всего первый прототип отбрасывается на этапе реализации действующей системы);
• 6) тестирование — выявление ошибок в подходе и реализации прототипа и выработка рекомендаций по доводке системы до промышленного варианта;
• 7) доработка прототипа до промышленной ИС — модернизация прототипа, который в реальных производственных условиях может функционировать неудовлетворительно, и требуется поиск и реализация дополнительных решений для доведения его до промышленного варианта.

В рамках развития ИС от прототипа до промышленного варианта можно выделить стадии разработки:

• 1) демонстрационного прототипа, который решает часть задач, определяя правильность подхода;
• 2) исследовательского прототипа, который решает большинство задач, но может быть неустойчив в работе и не полностью проверен;
• 3) действующего прототипа, который решает все задачи на реальных примерах, но для сложной задачи требует много времени и памяти;
• 4) промышленной системы, которая обеспечивает высокое качество решения при минимальном времени и памяти; она создается на базе действующего прототипа с использованием более эффективных средств представления знаний.

Промышленная или коммерческая система, которая пригодна к продаже, должна быть хорошо документирована и снабжена сервисом.

• 3. Оценка системы. Включается тестирование системы для выяснения ее эффективности. К этому процессу привлекаются другие эксперты для апробирования работы системы на различных примерах. Оценка производится по критериям пользователей (понятность и прозрачность работы, удобство интерфейса и пр.), приглашенных экспертов или коллектива разработчиков (эффективность реализации, производительность, время отклика, широта охвата предметной области, непротиворечивость базы знаний и пр.).
• 4. Интеграция и поддержка системы. Необходима для стыковки системы с другими программными средствами в среде, в которой она будет работать (интеграция с другими программными средствами), и обучение людей, которых она будет обслуживать. Прежде всего обеспечивается связь системы с существующими базами данных и другими системами на предприятии. Обеспечивается также оперативное пополнение базы знаний системы в процессе эксплуатации.

И С может быть перекодирована из языка инструментальной среды, на котором она была разработана, в универсальный язык типа С. Это увеличивает ее быстродействие, но уменьшает гибкость, связанную с перестройкой ее базы знаний. При необходимости частого изменения знания системы целесообразно поддерживать ее в инструментальной среде разработки. Для этого требуется специально подготовленная группа сопровождения системы.

Можно выделить несколько подходов к построению современных ИС.

• 1. Структурный подход. Основан на построении баз знаний и данных системы как структур, которые помогают получать надежные и качественные решения. Этот подход подобен структурному программированию. Применительно к ИС не идет речи о том, что структурирование должно довести задачу до алгоритма (как в программировании), а предполагается, что часть задачи решается с помощью поиска. Структурный подход в различных применениях целесообразно сочетать с поверхностным или глубинным.
• 2. Поверхностный подход. Применяется к сложным задачам, которые не могут быть точно описаны. При этом от эксперта получаются фрагменты знаний (часто эвристических), которые соответствуют задаче. Никаких попыток систематического изучения области не предпринимается. Поэтому основным методом вывода является поиск в пространстве состояний. Обычно в качестве способа представления знаний выбираются продукции. Условие каждой продукции определяет образец некоторой ситуации, при соблюдении которой продукция может быть выполнена. Поиск решения состоит в выполнении тех правил, образцы которых сопоставляются с текущими данными. При структуризации база делится на модули, которые связываются между собой иерархически. Поиск производится сначала в корневом модуле, а затем, если решение получить не удается, к поиску подключаются продукции модулей нижних уровней структуры.
• 3. Глубинный подход. Базируется на модели той проблемной области, в которой система функционирует. Модель может быть определена различными способами (декларативно или процедурно). Ее необходимо использовать, чтобы исправить несовершенство поверхностного подхода, когда при отсутствии продукций, удовлетворяющих текущей ситуации, решения не получается. Глубинные базы знаний обладают возможностью при возникновении неизвестной ситуации определить с помощью модели, какие действия следует выполнить. Модельный глубинный подход требует явного структурирования базы знаний. При этом необходимо использовать системы, обладающие мощными моделирующими возможностями: объекты с группами продукций и присоединенными процедурами, иерархическое наследование свойств, активные знания, управляемые данными, передачу сообщений и пр.
• 4. Объектный подход. Ориентирован на использовании связанных объектов как основных элементов глубинных баз знаний, которые имеют сложную иерархическую структуру. Интерес к объектной технологии возрос, когда потребовалось создавать сложные программные системы, не поддающиеся программированию с применением структурного подхода. Традиционно проектирование сложных систем основывалось на декомпозиции, т. е. разбиении их на составные части, рассматриваемые отдельно.

Структурный подход к проектированию реализует алгоритмическую декомпозицию «сверху вниз». При таком каскадном методе имеют место линейность выполнения этапов разработки системы, четкое разделение данных и процессов их обработки и использование процедурных языков программирования. В связи с этим программирование может начаться только после завершения этапов анализа и проектирования, что приводит к большим потерям времени. Кроме того, каскадный принцип затрудняет внесение коррекций в решения при проектировании системы, вследствие того, что коррекции в нижних уровнях могут потребовать коррекций верхних уровней и наоборот.

Стремление избавиться от недостатков структурного подхода привело к развитию идей, основанных на объектной декомпозиции. В основе этого подхода лежат понятия «объект» и «класс». В качестве объектов в больших БЗ используются блоки знаний, описывающие конкретные предметы, а также реальные или абстрактные сущности. Объект обладает индивидуальностью поведения, имеет атрибуты и значения, которые определяют его состояние. Каждый объект является представителем некоторого класса однотипных объектов. Часто в ИС в качестве объектов используются блоки продукций с присоединенным процедурами, фрагменты семантических сетей с процедурами оценки решений, фреймы с простым видом наследования. Наиболее универсальными являются объекты, поддерживающие инкапсуляцию, разнообразные виды наследования, полиморфизм.

Инкапсуляция означает скрытие информации и объединение декларативных и процедурных знаний. Скрытой является внутренняя структура объекта. Для того чтобы объект произвел некоторое действие, ему извне необходимо послать сообщение, которое инициирует выполнение нужной процедуры (метода). Инкапсуляция позволяет изменять реализацию любого класса объектов без опасения, что это вызовет нежелательные побочные эффекты в системе. Тем самым упрощаются процесс исправления ошибок и модификация знаний.

Наследование дает возможность создавать новые классы по принципу «от общего к частному». Наследование позволяет новым классам при сохранении всех свойств классов-родителей добавлять свои характеристики, отражающие их индивидуальность. Оно позволяет создавать иерархии классов и является эффективным средством внесения изменений и дополнений в программные системы. Самое простое наследование «абстракное — конкретное» имеет место в семантических сетях и фреймовых системах. Универсальные объектные системы имеют сложные формы множественного наследования не только классов, но и методов. Обязательным средством вывода является также передача сообщений.

Полиморфизм определяет способность объектов выбирать метод на основе типов данных, принимаемых в сообщении. Каждый объект может реагировать по-своему на одно и то же сообщение. Полиморфизм позволяет упростить исходные тексты программ, обеспечивает их развитие за счет введения новых методов обработки.

Объектная декомпозиция заключается в представлении системы в виде совокупности классов и объектов предметной области. При этом иерархический характер сложной системы отражается в виде иерархии классов, а ее функционирование рассматривается как взаимодействие объектов. Такой подход позволяет описать систему наиболее естественным способом.

Цикл разработки ИС с использованием объектного подхода включает:

• 1) анализ, т. е обследование проблемной среды с определением классов и объектов;
• 2) проектирование, т. е. детализацию представлений классов и объектов и их взаимодействий;
• 3) эволюцию, т. е. программирование, тестирование и сборку системы с быстрым прототипированием;
• 4) модификацию, т. е. внесение при необходимости изменений с целью развития системы.

При проектировании может возникнуть необходимость возврата к начальным этапам и перепроектирования (итерационное проектирование).

Проблемная, или предметная, ориентация ИС является важнейшим фактором, определяющим применяемые программные средства разработки систем. В этом плане можно выделить следующие направления, для решения которых разработаны специальные программные средства:

• • диагностика оборудования (механического и электронного);
• • поиск повреждений;
• • автоматизация конструирования;
• • генерирование планов (производственных и технологических);
• • управление технологическими процессами и производством;
• • интеллектуальные интерфейсы к базам данных;
• • прогнозирование и управление финансами;
• • мониторинг и диагностика заболеваний;
• • управление роботами и робототехническими системами;
• • управление транспортом и транспортными системами;
• • управление военными и космическими системами.

В литературе имеется большое число работ с описаниями этих проблемнои предметно-ориентированных инструментальных средств и разработанных с их помощью приложений.

Существуют также коммерческие базы знаний и средства, ориентированные на получение знаний. Коммерческие базы знаний и средства получения знаний разрабатываются фирмами, не являющимися разработчиками специальных программных средств проектирования ИС [12]. Продавая свои продукты, эти фирмы обеспечивают разработку, сопровождение и модификацию баз знаний. Программные средства, ориентированные на получение знаний, используют разнообразные методы извлечения, приобретения и автоматического формирования знаний [1].

В следующих главах этого раздела кратко рассмотрены некоторые популярные инструментальные средства, поддерживающие технологии экспертных, нечетко-логических, нейросетевых и многоагентных систем.