Разработка экспертных систем

2.4 Характеристики  экспертных систем

Экспертные  системы можно характеризовать  следующими особенностями:

• область применения,

• класс решаемых задач,

• метод (методы) представления знаний,

• метод (методы) решения задач (поиска решений),

• структуризация данных (фактов) предметной области,

• структуризация/неструктуризация знаний о решении задач,

• четкость/нечеткость данных,

• четкость/нечеткость знаний,

• монотонность/немонотонность процесса решения задач,

• метод (методы) приобретения (пополнения) знаний,

• вид пользовательского интерфейса,

• динамическая или статическая предметная область,

• интеграция с другими программными системами (СУБД, системами моделирования, графическими пакетами и т.д.).

2.5 Этапы  создания экспертных систем

1 этап – Идентификация.

1. Определение  участников и их ролей в  процессе создания и эксплуатации экспертной системы.

В процессе создания экспертной системы могут участвовать  следующие специалисты: инженеры по знаниям, эксперты, программисты, руководитель проекта, заказчики (конечные пользователи). При реализации сравнительно простых экспертных систем программистов может не быть. Роль инженера по знаниям – выуживание профессиональных знаний из экспертов и проектирование базы знаний экспертной системы и ее архитектуры. Программист необходим при разработке специализированного для данной экспертной системы программного обеспечения, когда подходящего стандартного (например, оболочки для создания экспертных систем) не существует или его возможностей не достаточно и требуются дополнительные модули.

В процессе эксплуатации могут принимать участие конечные пользователи, эксперты, администратор.

2. Идентификация  проблемы

На этом этапе  разработчики должны ответить на ряд  вопросов, определяющих особенности решаемых экспертами, а, следовательно, будущей экспертной системой, задач. Эти особенности определят и особенности архитектуры экспертной системы, формируемой на последующих этапах. К этим вопросам относятся следующие:

− какой класс задач должна решать ЭС;

− как эти задачи могут быть охарактеризованы или определены;

− какие можно выделить подзадачи;

− какие исходные данные должны использоваться для решения;

− какие понятия и взаимосвязи между ними используются при решении задачи экспертами;

− какой вид имеет решение и какие концепции используются в нем;

− какие аспекты опыта эксперта существенны для решения задачи;

− какова природа и объем знаний, необходимых для решения задачи;

− какие препятствия встречаются при решении задач;

− как эти помехи могут влиять на решение задачи.

Определение необходимых ресурсов – временных, людских, материальных.

3. Определение  целей

В качестве целей, преследуемых при создании экспертных систем, мо-

гут быть: повышение  скорости принятия решения, повышение  качества решений, тиражирование опыта  экспертов и т.п.

2 этап – Концептуализация.

На этом этапе разработчики должны ответить на следующие вопросы:

− какие типы данных нужно использовать;

− что из данных задано, а что должно быть выведено;

− имеют ли подзадачи наименования;

− имеют ли стратегии наименования;

− имеются ли ясные частичные гипотезы, которые широко используются.

3 этап – Формализация.

4 этап – Реализация  прототипной версии.

5 этап – Тестирование.

6 этап – Перепроектирование  прототипной версии.

3. Практическая  часть

3.1 Выбор  среды разработки программирования

В качестве внутреннего языка для данной работы был выбран ObjectPascal, который используется в среде программирования Delphi. Этот язык использует принципы объектно-ориентированного и визуального программирования.

Язык ObjectPascal является одним из высокоразвитых языков объектно-ориентированного программирования. И среди других, например, таких как Visual Basic или Visual C++, отличается простотой программного кода, достаточным количеством литературы по этому языку.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) — это методика разработки программ, в основе которой лежит понятиеобъект. Объект — это некоторая структура, соответствующая объекту реального мира, его поведению. Задача, решаемая с использованием методики ООП, описывается в терминах объектов и операций над ними, а программа при таком подходе представляет собой набор объектов и связей между ними.

По сравнению с традиционными способами программирования ООП обладает рядом преимуществ. Главное из них заключается в том, что эта концепция в наибольшей степени соответствует внутренней логике функционирования операционной системы (ОС) Windows. Программа, состоящая из отдельных объектов, отлично приспособлена к реагированию на события, происходящие в ОС. К другим преимуществам ООП можно отнести большую надежность кода и возможность повторного использования отработанных объектов.

Delphi - это комбинация  нескольких важнейших технологий:

Высокопроизводительный  компилятор в машинный код

Объектно-ориентированная  модель компонент

Визуальное (а, следовательно, и скоростное) построение приложений из программных прототипов

Масштабируемые  средства для построения баз данных

Программирование  в Delphi строится на тесном взаимодействии двух процессов:

• процесса конструирования  визуального проявления программы (т.е. ее Windows-окна),

• процесса написания  кода, придающего элементам этого окна и программе в целом необходимую функциональность.

Основные преимущества среды программирования Delphi:

– Простота языка позволяет быстро его освоить и создавать сложные программы;

– Развитые средства представления структур данных обеспечивают удобство работы, как с числовой, так и с символьной и битовой информацией;

– Объектно-ориентированное программирование (ООП) в визуальной среде.

В процессе построения приложения разработчик выбирает из палитры компонент готовые компоненты как художник, делающий крупные мазки  кистью. Еще до компиляции он видит  результаты своей работы - после  подключения к источнику данных их можно видеть отображенными на форме, можно перемещаться по данным, представлять их в том или ином виде. В этом смысле проектирование в Delphi мало чем отличается от проектирования в интерпретирующей среде, однако после выполнения компиляции мы получаем код, который исполняется в 10-20 раз быстрее, чем то же самое, сделанное при помощи интерпретатора. Кроме того, компилятор компилятору рознь, в Delphi компиляция производится непосредственно в родной машинный код, в то время как существуют компиляторы, превращающие программу в так называемый p-код, который затем интерпретируется виртуальной p-машиной. Это не может не сказаться на фактическом быстродействии готового приложения.

Основной упор этой модели в Delphi делается на максимальном реиспользовании кода. Это позволяет разработчикам строить приложения весьма быстро из заранее подготовленных объектов, а также дает им возможность создавать свои собственные объекты для среды Delphi. Никаких ограничений по типам объектов, которые могут создавать разработчики, не существует.

3.2 Алгоритм  работы экспертной системы

3.2.1 Алгоритм  формирования базы знаний

В данном курсовом проекте для формирования базы был  применен алгоритм с прямой цепочкой рассуждений

Пусть i^ое правило имеет следующую структуру

Если Ф_i1 = ЗФ_i1

и Ф _i2 = ЗФ_i2

и Ф_i3 = ЗФ_i3

то В_i = ЗВ _i.

Здесь i – номер правила, Ф_i1,2,3 - это факты i^го правила, ЗФ_i1,2,3 – значение факта Ф_i j,

В_i - название вывода i^го правила, ЗВ_i – содержание или значение вывода В_i..

В данном курсовом проекте число условий в одном  правиле не ограничено. Пусть есть N правил подобной структуры. Число правил задает эксперт при создании базы знаний.

Чтобы в алгоритме  вывода можно было оперировать фактами, значениями фактов, учитывать их связь в определенном правиле и делать выводы, соответствующие данному набору фактов, база данных экспертной системы представляется в виде определенных структур: массив переменных условия (МПУ), массив переменных вывода (МПВ), списки переменных условия (СПУ) и вывода (СПВ), очередь переменных вывода (ОПВ).

Вначале формируем  массив переменных условия МПУ и  массив переменных вывода МПВ путем переписывания туда содержимого из соответствующих полей формы. Далее, после ввода всех правил строим СПВ и СПУ.

В таблицах 2.1, 2.2 приведена структура МПУ, МПВ, СПУ, СПВ.

Таблица 2.1 –  Структура массивов условий и выводов

МПУ(n*3,3)	МПВ(n,3)
Ф11 ЗФ11 1 Ф12 ЗФ12 2 Ф13 ЗФ13 3 Ф21 ЗФ21 3 ???????? ???????? Ф31 ЗФ31 0 Ф32 ЗФ32 4 Ф33 ЗФ33 1 …………….. Фn1 ЗФn1 * Фn2 ЗФn2 * Фn3 ЗФn3 *	В1 ЗВ11 В2 ЗВ22 В3 ЗВ31 ………. Вn ЗВn*

Таблица 2.1 –  Структура списков условий и  выводов

СПУ(ку)	СПВ(кв)
Ф11 Ф12 Ф13 Ф32 …………….. Фn1 Фn2 Фn3	В1

В2 ………. Вn

Вначале на основе анализа МПВ формируем список переменных вывода СПВ. Анализ заключается в следующем алгоритме:

1. Первую переменную  вывода В₁ помещаем без обработки как СПВ (1) и устанавливаем текущее количество выводов кв=1 и в третий столбец МПВ записываем: МПВ(1,3)=1, т.е. по содержимому этого столбца обеспечиваем связь МПВ и СПВ.

2. От i =2 до N: (для всех МПВ( i, 1) проверяем была ли эта переменная уже записана в состав СПВ):

От р=1 до кв: если МПВ(i, 1) = СПВ (р), то МПВ( i, 3) =р; иначе кв=кв+1; СПВ(кв)= МПВ( i, 1); МПВ(i, 3)=кв.

Далее аналогично анализируем МПУ для формирования списка переменных условия СПУ.

1. ку=1; СПУ(1)=МПУ(1);

2. От i =1 до N*М: (для всех МПУ( i, 1):

От р=1 до кв: если МПУ(i, 1) = СПВ (р), то МПУ(i, 3)=0; i= i + 1 и перейти к п.2. (т.е. проверяем была ли эта переменная уже записана в состав СПВ как переменная вывода и в этом случае в третий столбец МПУ записываем 0 и эту переменную в перечень переменных условия не включаем).

От у=1 до ку: если МПУ(i, 1) = СПУ (у), то МПУ(i, 3) =у; иначе ку=ку+1; СПУ(ку)= МПУ( i, 1); МПУ(у, 3)=ку.

Теперь формируем  ТПУ (таблица переменных условия) и  ТПВ (таблица переменных вывода). Структура  таблиц приведена в таблицах 2.3, 2.4.

Для i=1,ку

ТПУ.условие (i)=СПУ(i), j=1

для кк=1, n*3

если МПУ(1,3)=i, то ТПУ.значение (i, j )=МПУ(кк,2); j= j +1.

Для определения  ТПУ.вопрос формируем форму и  в ней запрашиваем у эксперта о том, какой вопрос следует задавать пользователю для выяснения переменной условия ТПУ.условие(i).

Таблица 2.3 –  Структура таблицы переменных условия

ТПУ.условие	ТПУ.значение	ТПУ.вопрос
Ф11	ЗФ11	***********
	ЗФ33
Ф12	ЗФ12	***********
Ф13	ЗФ13	***********
	ЗФ21
Ф32	ЗФ32	***********
……………..		***********
Фn1	ЗФn1	***********
Фn2	ЗФn2	***********
Фn3	ЗФn3	***********