Экспертные системы в химии

В настоящее время ЭС «DENDR4L» определяет молекулярную структуру неизвестных соединений, исходя из данных масс-спек-трометрии и ЯМР. ЭС использует специальный алгоритм для систематического перечисления всех возможных молекулярных структур, а затем применяет знания по химии для сокращения этого списка до обозримого размера. Знания в «DENDRAL» представлены в виде процедур для генератора молекулярных структур и в виде ПП для управления данными и вычислительных программ. ЭС реализована на языке Интерлисп и разработана в Станфордском университете.

ЭС «DENDRAL» была одной из первых ЭС, в которой разнообразные ЗН были представлены в виде набора явных ПП. Необходимо особо отметить, что ЭС «DENDRAL» явилась источником многих принципиально новых идей в теории ЭС.

Эксперты-химики часто испытывают затруднения при копировании ЭП, поскольку многое в знаниях специалистов подразумевается или рассматриваемая ПО не совсем совпадает < областью мх деятельности. С целью устранения таких затруднении была предпринята разработка ЭС «META-DENDRAL». ЭС «МЕТА DENDRAL» помогает определять зависимость масс-спектрометрн ческой фрагментации от структурных особенностей молекул блц годаря наличию ПП фрагментации для данного класса молекул ЭС выводит эти ПП из обучающих примеров, содержащих наборы молекул с известными трехмерными структурами и масс-спектрами. Вначале «МЕТА-DENDRAL» порождает совокупность весьма специальных ПП, описывающих одиночный процесс фрагментации для конкретной молекулы. Затем она использует обучающие примеры для обобщения таких ПП. Далее ЭС пересматривает полученные ПП, чтобы исключить избыточные или некорректные ПП. «META-DENDRAL» реализована на языке Интерлисп.

Экспертная система «CONGEN» помогает определять наборы возможных структур неизвестных соединений. Химики предоставляют системе «CONGEN» спектрометрические и химические данные, перечень необходимых и запрещенных связей между атомами в соединении. «CONGEN» находит все возможные способы составления из атомов молекулярных структур, удовлетворяющих указанным ограничениям, и предоставляет в распоряжение специалиста-химика ряд структурных схем соединений, образующих исчерпывающий список таких структур-кандидатов. ЭС порождает структуры-кандидаты, используя разнообразные алгоритмы теории графов. «CONGEN» реализована на языке Интерлисп и представляет собой подсистему ЭС «DENDRAL», а также используется в качестве генератора гипотез в ЭС «Heuristic DENDRAL».

Система «CRYSALIS» определяет трехмерную структуру белка по распределению плотности электронов (РПЭ).ЭС интерпретирует информацию по дифракции рентгеновских лучей, включающую информацию о положении и интенсивности рассеянных волн, и выводит атомную структуру. ЭС использует знания о составе белка и рентгеноструктурном анализе, а также эвристики, чтобы с помощью анализа РПЭ получать и проверять гипотезы относительно правдоподобных белковых структур. «CHYSAL1S» использует архитектуру типа «доски объявлений», содержащей независимые источники знаний для выдвижения и проверки многоуровневой структуры гипотез. ЭС написана на языке ЛИСП.

Экспертная система «OCSS» помогает планировать синтез сложных органических молекул. ЭС анализирует молекулы-цели, предположенные специалистом-химиком, распознавая функциональные Фуппы, цепи, кольца, избыточность или симметрию скелета мо-чгкулы, применяя к ним химические преобразования и оценивая получающиеся структуры молекул с точки зрения корректности, 1', цинственности и простоты. Система реализована на ЭВМ «DEC «в Гарвардском университете. ЭС «SEC» помогает химикам пштезировать сложные органические молекулы. Специалист-химик задает структуру желаемой молекулы, а ЭС порождает план падания такой молекулы из набора более простых молекул — строительных блоков». Этот план представляет собой в основном последовательность химических реакций, применяемых к функциональным группам атомов. ЭС с помощью специалиста-химика ищет путь от молекулы к более простым молекулам до тех пор, пока не определит маршрут от молекулы-цели до «строительных блоков». SECS реализована на Фортанё.

Экспертная система «SYNCHEM» синтезирует сложные органические молекулы, не требуя участия химика. ЭС использует знания о химических реакциях для выработки плана получения ^: молекулы-цели из заданного набора исходных молекул. ЭС использует обратный поиск, начинающийся с молекулы-цели, и пытается определить, с помощью каких реакций можно ее получить и какие материалы (молекулы) для этого нужны. Такой поиск продолжается до тех пор, пока не будет составлена вся схема— от молекулы-цели до исходных материалов. ЭС реализована на языке «PL/Y».

Система SYNCHEM-2 синтезирует сложные органические молекулы без помощи и указаний со стороны химика. ЭС пытается найти последовательность реакций синтеза органических соединений, превращающих набор доступных исходных материалов в молекулу-цель. SYNCHEM-2 использует знания о химических реакциях для составления плана создания молекулы-цели из молекул — «строительных блоков». Система пытается найти оптимальный маршрут синтеза целевой молекулы из любых исходных веществ, применяя ЭП, ограничивающие поиск маршрутами, удовлетворяющими ограничениям задачи (информация об условиях точности реакций, о качестве и выходе требуемого продукта) реализована на языке PL/У; является развитием системы SYNCHEM.

Рассмотрим краткую характеристику ЭС планирования периментов в генетике, молекулярной биологии и в масс-спектрометрии: «MOLGEN», «SEQ» и «TQMSTUNE» .

Экспертная система «MOLGEN» помогает генетику м|<�п планировании экспериментов по клонированию генов в молекулярной генетике. Эти эксперименты состоят из встраивания гпи, кодирующего желаемый белок, в генетический аппарат бактерии чтобы эта бактерия воспроизводила такой ген. Система испольное знания по генетике и задачу, поставленную пользователем, для разработки общего плана и дальнейшего его превращения в исследовательность конкретных лабораторных опытов. MOLGEN использует объектно-ориентированное программирование, а также ФР моделей и стратегию управления. ЭС реализована на языках ЛИСП и UNITS.

Система «SEQ» помогает специалистам по молекулярной биологии в проведении нескольких видов анализа нуклеотидных последовательностей. ЭС может запомнить, отыскать и проанализировать последовательности нуклеотидов нуклеиновых кислот, а также провести статистический анализ структурной гомологии и симметрии. Стратегия поиска в «SEQ» может быть приспособлена к требованиям ЛПР изменением значений параметров, принимаемых по умолчанию; например, биолог может менять веса штрафной функции и размер промежутка при сглаживании по Нидлеману-Уинху. SEQ реализована на языке ЛИСП и была разработана в виде части ЭС «MOLCEN».

Экспертная система «SPEX» помогает исследователям в планировании сложных лабораторных экспериментов. Исследователь описывает задействованные объекты (например, физические условия проведения эксперимента и структуру исследуемого объекта), а ЭС помогает разрабатывать план для достижения цели эксперимента. Затем система уточняет каждый абстрактный шаг плана, делая его более конкретным, увязывая с методами и объектами, хранящимися в БЗ. Хотя ЭС проверялась исключительно в области молекулярной биологии, она не обладает какими-либо встроенными механизмами, ориентированными на молекулярную биологию, следовательно, она может быть применена и в других проблемных областях. SPEX реализована на языке UNITS, ориентированном на МПЗ в виде ФР.

ЭС «TQMSTUNE» точно настраивает квадрупольный масс-спектрометр (TQMS), интерпретируя такие характеристики сигналов от TQMS, как отношения величин спектральных пиков, их ширина и форма. ЭС использует знания о том, как, изменяя настройку /.V, повлиять на его чувствительность и форму спектров. Знания составлены с помощью фреймовых конструкций языка КЕЕ.