Этапы разработки экспертных систем

Этапы разработки экспертных систем. 
В ходе работ по созданию ЭС сложилась определенная технология их разработки, включающая шесть следующих этапов (рис.1.4):идентификацию, концептуализацию, формализацию, выполнение, тестирование, опытную эксплуатацию. На этапе идентификации определяются задачи, которые подлежат решению, выявляются цели разработки, определяются эксперты и типы пользователей.

 
Этап идентификации.

Этап идентификации связан, прежде всего, с осмыслением тех  задач, которые предстоит решить будущей ЭС, и формированием требований к ней. Результатом данного этапа является ответ на вопрос, что надо сделать и какие ресурсы необходимо задействовать (идентификация задачи, определение участников процесса проектирования и их роли, выявление ресурсов и целей).Обычно в разработке ЭС участвуют не менее трех-четырех человек — один эксперт, один или два инженера по знаниям и один программист, привлекаемый для модификации и согласования инструментальных средств. Также к процессу разработки ЭС могут по мере необходимости привлекаться и другие участники. Например, инженер по знаниям может пригласить других экспертов, чтобы убедиться в правильности своего понимания основного эксперта, представительности тестов, демонстрирующих особенности рассматриваемой задачи, совпадения взглядов различных экспертов на качество предлагаемых решений. Кроме того, для сложных систем считается целесообразным привлекать к основному циклу разработки несколько экспертов. Однако в этом случае, как правило, требуется, чтобы один из экспертов отвечал за непротиворечивость знаний, сообщаемых коллективом экспертов.Идентификация задачи заключается в составлении неформального (вербального) описания, в котором указываются: общие характеристики задачи; подзадачи, выделяемые внутри данной задачи; ключевые понятия (объекты), их входные (выходные) данные; предположительный вид решения, а также знания, относящиеся к решаемой задаче.В процессе идентификации задачи инженер по знаниям и эксперт работают в тесном контакте. Начальное неформальное описание задачи экспертом используется инженером по знаниям для уточнения терминов и ключевых понятий. Эксперт корректирует описание задачи, объясняет, как решать ее и какие рассуждения лежат в основе того или иного решения. После нескольких циклов, уточняющих описание, эксперт и инженер по знаниям получают окончательное неформальное описание задачи.При проектировании ЭС типичными ресурсами являются источники знаний, время разработки, вычислительные средства и объем финансирования. Для эксперта источниками знаний служат его предшествующий опыт по решению задачи, книги, известные примеры решения задач, а для инженера по знаниям — опыт в решении аналогичных задач, методы представления знаний и манипулирования ими, программные инструментальные средства. При определении времени разработки обычно имеется в виду, что сроки разработки и внедрения ЭС составляют, как правило, не менее года (при трудоемкости 5 чел.-лет). Определение объема финансирования оказывает существенное влияние на процесс разработки, так как, например, при недостаточном финансировании предпочтение может быть отдано не разработке оригинальной новой системы, а адаптации существующей.При идентификации целей важно отличать цели, ради которых создается ЭС, от задач, которые она должна решать. Примерами возможных целей являются: формализация неформальных знаний экспертов; улучшение качества решений, принимаемых экспертом; автоматизация рутинных аспектов работы эксперта (пользователя); тиражирование знаний эксперта.

Этап концептуализации.

На этапе концептуализации эксперт и инженер по знаниям  выделяют ключевые понятия, отношения  и характеристики, необходимые для  описания процесса решения задачи. На этом этапе определяются следующие особенности задачи: типы доступных данных; исходные и выводимые данные; подзадачи общей задачи; используемые стратегии и гипотезы; виды взаимосвязей между объектами проблемной области; типы используемых отношений (иерархия, причина/следствие, часть/целое и т.п.); процессы, используемые в ходе решения задачи; типы ограничений, накладываемых на процессы, используемые в ходе решения; состав знаний, используемых для решения задачи и для объяснения решения.Для определения перечисленных характеристик задачи целесообразно составить детальный протокол действий и рассуждений эксперта в процессе решения хотя бы одной конкретной задачи. Такой протокол обеспечивает инженера по знаниям словарем терминов (объектов) и некоторым приблизительным представлением о тех стратегиях, которые использует эксперт. Кроме того, протокол помогает ответить на многие другие вопросы, возникающие в ходе разработки. На этом этапе инженер по знаниям рассматривает вопросы, относящиеся к представлению знаний и методам решения, но говорить о выборе конкретных способов и методов здесь еще рано.Адекватным средством для выделения ключевых понятий, отношений и характеристик являются диаграммы, которые используют практически все современные инструментальные средства. Диаграммы используются как средства проектирования, сопровождения и документирования, а также для организации взаимодействия между различными участниками процесса создания системы.Являясь языком для описания требований и проектирования системы, диаграммы должны быть небольшими по размеру, простыми, понятными и полными. Для этого они должны опираться на формальные правила и использовать небольшое количество абстрактных символов. К числу базовых типов диаграмм относятся:

контекстные диаграммы (структурно-функциональные схемы), например нотация IDEF0;

диаграммы «сущность-связь», например нотация IDEF1X;

диаграммы потоков данных, например нотация DFD;

диаграммы «состояния-переходы», например нотация UML.

Для того чтобы показать, что система должна делать, надо показать всю систему, ее части и  их взаимодействие. Это делается с  помощью контекстных диаграмм. Эти  диаграммы, на которых представлены сама система в виде системного процесса, ее основные части (подсистемы), включая  операторы и основные блоки оборудования (измерения и управления), объекты  внешнего окружения и основные потоки между ними, описывают разрабатываемую систему на высоком уровне.Контекстная диаграмма в сочетании с перечнем системных требований стремится ответить на вопрос: «Что делает система?», причем дает только частичный ответ. Для систем со сложными связями между объектами важно более детально представлять взаимоотношения между объектами. Это делается с помощью диаграмм «сущность-связь». В этих диаграммах объекты представляются прямоугольниками, а связи между ними – стрелками. Тип связи и ее направление определяются с помощью стрелок в начале и в конце линии связи. Тип связи задает отношение множественности между объектами, т.е. определяет, скольким экземплярам второго объекта соответствует один экземпляр первого объекта.После того как определено, что должна делать система, необходимо ответить на вопрос: «Как?» Первый вопрос заключается в том, как система взаимодействует с внешним окружением. Ответ на этот вопрос дает диаграмма потоков данных. На ней представлены внешние объекты, хранилища данных в системе, потоки данных, входящие, выходящие и проходящие внутри системы, и системные процессы, обрабатывающие эти потоки. Объекты принято обозначать квадратами, хранилища данных – узкими прямоугольниками без правой стороны, процессы – прямоугольниками с закругленными углами, а потоки данных – линиями со стрелками. Диаграммы потоков данных позволяют проводить декомпозицию по уровням раскрытия системных процессов и потоков. В совокупности они показывают, как система отвечает требованиям и как реализуется проект.Типы диаграмм, упомянутые выше, отражали статическое поведение системы. Для того чтобы показать динамическое поведение системы, какие события происходят в системе, как система на них реагирует и в какие состояния она попадает, используются диаграммы «состояний-переходов», которые моделируют поведение машины с конечным числом состояний. Поведение системы представляется в виде множества дискретных, исключительных и конечных состояний. Происходящие события приводят к изменению состояния системы; считается, что изменения происходят мгновенно. События могут происходить синхронно и асинхронно.

Этап выполнения.

Цель этого этапа —  создание одного или нескольких прототипов ЭС, решающих требуемые задачи. Затем  на данном этапе по результатам тестирования и опытной эксплуатации создается  конечный продукт, пригодный для  промышленного использования. Разработка прототипа состоит в программировании его компонентов или выборе их из известных инструментальных средств  и наполнении базы знаний.Главное в создании прототипа заключается в том, чтобы этот прототип обеспечил проверку адекватности идей, методов и способов представления знаний решаемым задачам. Создание первого прототипа должно подтвердить, что выбранные методы решений и способы представления пригодны для успешного решения, по крайней мере, ряда задач из актуальной предметной области, а также продемонстрировать тенденцию к получению высококачественных и эффективных решений для всех задач предметной области по мере увеличения объема знаний.После разработки первого прототипа ЭС-1 круг предлагаемых для решения задач расширяется, и собираются пожелания и замечания, которые должны быть учтены в очередной версии системы ЭС-2. Осуществляется развитие ЭС-1 путем добавления "дружественного" интерфейса, средств для исследования базы знаний и цепочек выводов, генерируемых системой, а также средств для сбора замечаний пользователей и средств хранения библиотеки задач, решенных системой.Выполнение экспериментов с расширенной версией ЭС-1, анализ пожеланий и замечаний служат отправной точкой для создания второго прототипа ЭС-2. Процесс разработки ЭС-2 итеративный. Он может продолжаться от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от сложности предметной области, гибкости выбранного представления знаний и степени соответствия управляющего механизма решаемым задачам (возможно, потребуется разработка ЭС-3 и т.д.). При разработке ЭС-2, кроме перечисленных задач, решаются следующие:

• анализ функционирования системы при значительном расширении базы знаний;
• исследование возможностей системы в решении более широкого круга задач и принятие мер для обеспечения таких возможностей;
• анализ мнений пользователей о функционировании ЭС;
• разработка системы ввода-вывода, осуществляющей анализ или синтез предложений ограниченного естественного языка, позволяющей взаимодействовать с ЭС-2 в форме, близкой к форме стандартных учебников для данной области.

Если ЭС-2 успешно прошла этап тестирования, то она может  классифицироваться как промышленная экспертная система.

Этап тестирования.

В ходе данного этапа производится оценка выбранного способа представления  знаний в ЭС в целом. Для этого  инженер по знаниям подбирает  примеры, обеспечивающие проверку всех возможностей разработанной ЭС.Различают следующие источники неудач в работе системы: тестовые примеры, ввод-вывод, правила вывода, управляющие стратегии.Показательные тестовые примеры являются наиболее очевидной причиной неудачной работы ЭС. В худшем случае тестовые примеры могут оказаться вообще вне предметной области, на которую рассчитана ЭС, однако чаще множество тестовых примеров оказывается слишком однородным и не охватывает всю предметную область. Поэтому при подготовке тестовых примеров следует классифицировать их по под проблемам предметной области, выделяя стандартные случаи, определяя границы трудных ситуаций и т.п. Ввод-вывод характеризуется данными, приобретенными в ходе диалога с экспертом, и заключениями, предъявленными ЭС в ходе объяснений. Методы приобретения данных могут не давать требуемых результатов, так как, например, задавались неправильные вопросы или собрана не вся необходимая информация. Кроме того, вопросы системы могут быть трудными для понимания, многозначными и не соответствующими знаниям пользователя. Ошибки при вводе могут возникать также из-за неудобного для пользователя входного языка. В ряде приложения для пользователя удобен ввод не только в печатной, но и в графической или звуковой форме.Выходные сообщения (заключения) системы могут оказаться непонятны пользователю (эксперту) по разным причинам. Например, их может быть слишком много или, наоборот, слишком мало. Также причиной ошибок может являться неудачная организация, упорядоченность заключений или неподходящий пользователю уровень абстракций с непонятной ему лексикой.Наиболее распространенный источник ошибок в рассуждениях касается правил вывода. Важная причина здесь часто кроется в отсутствии учета взаимозависимости сформированных правил. Другая причина заключается в ошибочности, противоречивости и неполноте используемых правил. Если неверна посылка правила, то это может привести к употреблению правила в неподходящем контексте. Если ошибочно действие правила, то трудно предсказать конечный результат. Правило может быть ошибочно, если при корректности его условия и действия нарушено соответствие между ними.Нередко к ошибкам в работе ЭС приводят применяемые управляющие стратегии. Изменение стратегии бывает необходимо, например, если ЭС анализирует сущности в порядке, отличном от "естественного" для эксперта. Последовательность, в которой данные рассматриваются ЭС, не только влияет на эффективность работы системы, но и может приводить к изменению конечного результата. Так, рассмотрение правила А до правила В способно привести к тому, что правило В всегда будет игнорироваться системой. Изменение стратегии бывает также необходимо и в случае неэффективной работы ЭС. Кроме того, недостатки в управляющих стратегиях могут привести к чрезмерно сложным заключениям и объяснениям ЭС.Критерии оценки ЭС зависят от точки зрения. Например, при тестировании ЭС-1 главным в оценке работы системы является полнота и безошибочность правил вывода. При тестировании промышленной системы превалирует точка зрения инженера по знаниям, которого в первую очередь интересует вопрос оптимизации представления и манипулирования знаниями. И, наконец, при тестировании ЭС после опытной эксплуатации оценка производится с точки зрения пользователя, заинтересованного в удобстве работы и получения практической пользы

Этап опытной эксплуатации.

На этом этапе проверяется  пригодность ЭС для конечного  пользователя. Пригодность ЭС для  пользователя определяется в основном удобством работы с ней и ее полезностью. Под полезностью ЭС понимается ее способность в ходе диалога определять потребности  пользователя, выявлять и устранять  причины неудач в работе, а также  удовлетворять указанные потребности  пользователя (решать поставленные задачи). В свою очередь, удобство работы с  ЭС подразумевает естественность взаимодействия с ней (общение в привычном, не утомляющем пользователя виде), гибкость ЭС (способность системы настраиваться  на различных пользователей, а также  учитывать изменения в квалификации одного и того же пользователя) и  устойчивость системы к ошибкам (способность не выходить из строя  при ошибочных действиях неопытного пользователях).В ходе разработки ЭС почти всегда осуществляется ее модификация. Выделяют следующие виды модификации системы: переформулирование понятий и требований, переконструирование представления знаний в системе и усовершенствование прототипа.