Создание экспертных систем в среде EXSYS

Министерство Путей Сообщения РФ

Иркутский Государственный Университет Путей Сообщения

Институт Информационных Технологий и Моделирования

Кафедра «Информационные Системы»

Курсовая работа

По дисциплине «Системы искусственного интеллекта»

На тему: СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ В СРЕДЕ EXSYS

Иркутск 2003г.

ВВЕДЕНИЕ

Экспертные системы (ЭС) - это системы искусственного интеллекта (интеллектуальные системы), предназначенные для решения плохоформализованных и слабоструктурированных задач в определенных проблемных областях, на основе заложенных в них знаний специалистов-экспертов [1-4]. В настоящее время ЭС внедряются в различные виды человеческой деятельности, где использование точных математических методов и моделей затруднительно или вообще невозможно. К ним относятся: медицина, обучение, поддержка принятия решений и управление в сложных ситуациях, деловые различные приложения и т. д.

Основными компонентами ЭС являются базы данных (БД) и знаний (БД), блоки поиска решения, объяснения, извлечения и накопления знаний, обучения и организации взаимодействия с пользователем. БД, БЗ и блок поиска решений образуют ядро ЭС.

Для конструирования ЭС используются различные инструментальные средства: универсальные языки программирования, языки искусственного интеллекта, инструментальные системы и среды и системы-оболочки. Системы-оболочки являются наиболее простым средством формализации (автоформализации) экспертных знаний, практически не требующие участия посредников в лице инженера по знаниям или программиста при их использовании. Инженер по знаниям только помогает эксперту выбрать наиболее подходящую для его проблемной области оболочку.

В пособии рассматривается ряд коммерческих инструментальных систем-оболочек, широко используемых для конструирования прикладных ЭС для статических проблемных областей, характеризующихся постоянством своих параметров в процессе функционирования (процессе консультации) ЭС. В таких статических ЭС режимы приобретения знаний (формирования БЗ) и консультации разделены.

Системы EXSYS и GURU относятся к системам дедуктивного продукционного типа, причем система GURU (в ее современной версии, ориентированной на рабочие станции) по сути является инструментальной средой, поддерживающей различные режимы конструирования прикладных ЭС и обладающей достаточно развитыми средствами обработки фактора неопределенности. Эта система ориентирована на различные классы пользователей в зависимости от их подготовки в области искусственного интеллекта и программирования, имеет развитый интерфейс с современными СУБД и электронными таблицами, средства сбора статистики и т. д. Система может работать на различных вычислительных платформах под управлением различных операционных систем, а также имеет поддержку сетевой конфигурации. Здесь будет рассмотрен наиболее простой способ использования GURU как системы-оболочки.

В пособие приводятся общие характеристики систем и рассматриваются основные режимы их функционирования - режим приобретения знаний, в котором экспертом (возможно, при участии инженера по знаниям) формируется БЗ прикладной, и режим консультации, когда оболочка уже "наполнена" знаниями и является по сути прикладной ЭС, предназначенной для пользователя-прикладника. В режиме приобретения знаний также осуществляется модификация ЭС (изменение и пополнение БЗ).

СИСТЕМА EXSYS

Общие характеристики системы Exsys

Экспертная система Exsys представляет собой интеллектуальную систему, которая может быть использована для разработки базы знаний в любой предметной области. При этом знания представляются в виде продукционных правил. В систему включены средства отладки и тестирования программы, редактирования для модификации знаний и данных.

Основной частью экспертной системы является база знаний, которая накапливается в процессе развития системы. База знаний содержит правила типа:

IF (условие) THEN (заключение), либо

IF (условие) THEN (заключение 1) ELSE (заключение 2)

Пример продукции:

Если pH < 6, то жидкость – кислота.

Правила могут существовать с некоторой долей вероятности, которая выражается коэффициентом уверенности. Величину этого коэффициента задает эксперт при разработки базы знаний. В экспертной системе Exsys предусмотрено три шкалы, по которым оцениваются коэффициенты уверенности.

Первая шкала использует только два значения коэффициентов уверенности: 0 –ложь, 1 – истина.   

Вторая шкала предусматривает значения от нуля до десяти, при этом: 0 – абсолютная ложь, 10 – абсолютная истина, промежуточные значения характеризуют различную степень уверенности.

Третья шкала расширяет возможности второй: -100 – абсолютная ложь, +100 – абсолютная истина, промежуточные значения соответствуют различной степени уверенности.

При разработке базы знаний эксперт решает, в зависимости от особенностей задачи, какую из этих шкал выбрать.

При разработке базы знаний можно воспользоваться текстовой информацией, формулами или использовать и то, и другое одновременно. Все зависит от выбора разработчика. В том случае, если было решено использовать математические выражения, появляются переменные. Они записываются в квадратных скобках. Например, [X] > [Y].  

С правилом могут быть связаны примечание (NOTE) и ссылка (REFERENCE), которые отражают справочную информацию. Каждое правило обязательно должно содержать две части IF – условие и THEN – заключение. Части ELSE, NOTE, REFERENCE не являются обязательными.

При разработке правил в системе Exsys используются квалификаторы. Квалификатор – это специальная текстовая переменная, которая имеет имя и может принимать одно из нескольких значений. Все значения пронумерованы для быстрого и легкого ввода их при создании правил.

Квалификаторы используются для формирования условий. С этой целью выбирается нужный квалификатор и указывается номер соответствующего значения.

В процессе создания экспертной системы можно изменить любое правило, любой квалификатор, их текстовую информацию и вариант значения.

В системе формируются варианты выбора (CHOICES) принятия решения, которые составляют часть THEN (заключение) правила с заданной экспертом шкалой вероятности.   

Важной особенностью системы Exsys является возможность вывода информации из других правил, позволяющая разбивать сложные задачи на подзадачи. В Exsys реализованы механизмы как прямого, так и обратного вывода.

Система Exsys, как и любая экспертная система имеет возможность объяснения полученных результатов. При необходимости, можно выяснить весь ход вычислений, вплоть до исходных данных.    

Система Exsys в процессе поиска решения способна выполнять ряд вычислительных задач, но некоторые задачи выходят за рамки его возможностей. В Exsys имеется возможность вызова внешних программ для выполнения вычислений. Внешние программы могут передавать данные Exsys через БД или  spread sheet. Exsys может вызывать почти все MSDOS–программы в качестве внешних программ.

Ввод правил

Ввод нового правила выполняется при нажатии клавиши <ENTER> или <А>. Exsys проверяет все новые правила на совместимость с уже существующими. Если обнаружен возможный конфликт, информация об этом отображается на экране и пользователь должен произвести необходимые изменения. Exsys не может проверять математические формулы.

Правила состоят из условий, которые являются предложениями. Эти условия часто состоят из квалификаторов и значений, объединенных в предложение. Квалификатор всегда находится в начале предложения. В условной части правила может быть несколько пар квалификатор-значение. Exsys допускает до 30 значений для одного квалификатора. Не следует переопределять значения квалификаторов, так как Exsys хранит квалификаторы в соответствии с их номерами и не сможет распознать, что два квалификатора с различными номерами одинаковы, если их текстовые значения совпадают.

Ранее введенные квалификаторы можно вызывать для повторного использования по их номерам, можно перемещаться по их списку нажатием клавиш <­> и <¯>. Если список квалификаторов велик или Вы забыли номер требуемого квалификатора, можно найти его по его текстовому имени. Для этого необходимо нажать клавишу <F>, а затем ввести текст. Если некоторый квалификатор содержит введенный текст, он будет отображен вместе со своим номером. Таким образом, в результате поиска могут быть найдены несколько квалификаторов. Выбор нужного производится по номеру.

Во время работы экспертной системы проверяются IF – части правил. Если все условия в IF – части правила истинные, то принимается истинной THEN – часть правила, в противном случае принимается истинной ELSE – часть правила (если она есть). Exsys допускает задание в одной IF – части до 126 конъюнкций условий. Условия проверяются в том порядке, в котором они записаны, соответственно порядок их следования может быть различным. Поэтому наиболее важные условия следует записывать раньше. 

Каждое правило может иметь примечание. Примечание отображается вместе с правилом и не влияет на ход работы, а служит лишь информацией для пользователя. Правило так же может иметь ссылку на источник информации, выраженной в нем. В отличие от примечания, ссылка не отображается, если пользователь специально не укажет этого.

Прикладная задача

Введем название предметной области – «Выбор профессии».

Далее необходимо выбрать шкалу вероятности. В рассматриваемом примере  будет шкала Yes/No.

Зададим варианты выбора (CHOICES):

c1. программист

c2. врач

c3. юрист

c4. переводчик

c5. экономист

c6. актер

Зададим варианты квалификатора (QUALIFIERS):

q1.  Вы склонны к (гуманитарным наукам/точным наукам)?

q2.  Вас интересует (компьютеры/криминал)?

q3.  Вы любите читать (детективы/ литературу на иностранном языке)?

q4.  Вы склонны к (математике/риторике)?

q5.  Вы предпочитаете работу типа (человек-человек/человек-техника)?

q6.  Вам бы хотелось проводить операции (с банковскими бумагами/в       медицинских целях)?

q7.  Техника для вас это ("неизвестное существо"/смысл жизни)?

q8.  По телевизору вы смотрите (криминальную хронику/программу здоровье)?

q9.  Вы участвуете в самодеятельности (да/нет)?

Конструкция правил:

RULE NUMBER: 1  

IF:

       Вы склонны к гуманитарным наукам

  and  Вы склонны к риторике

THEN:

       Вы любите читать литературу на иностранном языке

----------------------------------------

RULE NUMBER: 2  

IF:

       Вы любите читать литературу на иностранном языке

  and  Вы предпочитаете работу типа человек-человек

THEN:

       Переводчик - Confidence=1

----------------------------------------

RULE NUMBER: 3  

IF:

       Вы любите читать детективы

 or:   По телевизору вы смотрите криминальную хронику

 or:   Вы склонны к гуманитарным наукам

  and  Вас интересует криминалистика

THEN:

       Юрист - Confidence=1

----------------------------------------

RULE NUMBER: 4  

IF:

       Вы склонны к гуманитарным наукам

  and  Вы склонны к математике

THEN:

       Техника для вас это смысл жизни

----------------------------------------

RULE NUMBER: 5  

IF:

       Техника для вас это смысл жизни

 or:   Вы предпочитаете работу типа человек-техника

THEN:

       Программист - Confidence=1

----------------------------------------

RULE NUMBER: 6  

IF:

       Техника для вас это смысл жизни

  and  Вам бы хотелось проводить операции с банковскими бумагами

THEN:

       Экономист - Confidence=1

----------------------------------------

RULE NUMBER: 7  

IF:

       Вы склонны к гуманитарным наукам

  and  Вы любите читать литературу на иностранном языке

  and  Вы склонны к риторике

THEN:

----------------------------------------

RULE NUMBER: 8  

IF:

       Вы предпочитаете работу типа человек-человек

 or:   Вы участвуете в самодеятельности да

THEN:

       Переводчик - Confidence=1

----------------------------------------

RULE NUMBER: 9  

IF:

       Вы склонны к гуманитарным наукам

 or:   Вы предпочитаете работу типа человек-человек

  and  Вам бы хотелось проводить операции в медицинских целях

  and  По телевизору вы смотрите программу здоровье

THEN:

       Врач - Confidence=1

----------------------------------------

RULE NUMBER: 10  

IF:

       Вы склонны к риторике

  and  Вы предпочитаете работу типа человек-человек

  and  Вы участвуете в самодеятельности да

THEN:

       Актер - Confidence=1

Примерный вид диалога с ЭС:

Вы склонны к (гуманитарным наукам/точным наукам)? гуманитарным наукам

Вы склонны к (математике/риторике)? математике

Вам бы хотелось проводить операции (с банковскими бумагами/в       медицинских целях)? с банковскими бумагами

Вас интересует (компьютеры/криминал)? компьютеры

Вы любите читать (детективы/ литературу на иностранном языке)? детективы

Вы предпочитаете работу типа (человек-человек/человек-техника)? человек-техника

Вы участвуете в самодеятельности (да/нет)? нет

Результат:

В ходе диалога программа выдаёт всплывающие окна, где содержится вопрос (адресованный пользователю) и варианты ответа.

Вывод: В проделанной курсовой работе мы рассмотрели на примере: построение набора правил небольшой экспертной системы, которая выдаёт  рекомендации по выбору профессии, получили практические навыки работы в среде EXSYS.