Лекция 9. Интеллектуальные информационные системы

Исследования в области искусственного интеллекта ведутся достаточно давно, начиная с середины прошлого века. К настоящему моменту можно сказать, что в развитии ИИ выделяются два мощных направления:

• Нейрокибернетика.

• Кибернетика «черного ящика». Исходит из принципа, что принцип действия мыслящего устройства не имеет значения, главное, чтобы оно реагировало на входную информацию так же как человеческий мозг.

1 Основные задачи ИИ

1. Представление знаний и разработка систем, основанных на знаниях;

2. Разработка естественно-языковых интерфейсов;

3. Разработка систем машинного перевода;

4. Распознавание образов (идентификация неизвестного объекта по его признакам);

5. Создание обучающихся и самообучающихся систем;

6. Программное обеспечение интеллектуальных систем (развитие существующих ЯП PROLOG, LISP, SMALLTALK и разработка новых);

7. Разработка компьютеров новой архитектуры (параллельные вычисления, суперкомпьютеры);

8. Развитие робототехники (манипуляторы, роботы способные к адаптации, самоорганизующиеся робототехнические системы);

9. Игры и машинное творчество.

2 Соотношение понятий «данные» и «знания»

Ранее мы уже говорили о том, что феномен информации обычно рассматривается в трех аспектах:

• Синтаксический

• Семантический

• Прагматический

Данные представляют собой информацию, рассматриваемую в синтаксическом аспекте, то есть безотносительно к ее содержанию (семантике) и использованию (прагматике). Данные - это набор отдельных фактов, зарегистрированных на каком-либо носителе и представленных в определенной синтаксической форме.

Данные, проинтерпретированные с использованием тезауруса (осмысленные данные) становятся собственно информацией и рассматриваются в единстве синтаксического и семантического аспектов.

Наконец, знания - это система информации, включающая в себя не только фактические сведения, но и проверенные на практике принципы, связи, законы и закономерности предметной области, и обеспечивающая увеличение вероятности достижения какой-либо конкретной цели. В отличие от данных, знания носят активный характер, поскольку содержат в себе не только ответы на вопрос «что нужно», но и «как нужно», то есть фактически являются технологией достижения определенного результата.

Схематически соотношение между данными и знаниями можно отобразить так:

Данные;

Данные + Смысл = Информация;

Данные + Смысл + Цель = Информация + Цель = Знание.

3 Понятие Интеллектуальной Информационной Системы (ИИС)

Интеллектуальная информационная система - это информационная система, которая основана на концепции использования базы знаний для генерации алгоритмов решения прикладных задач.

Выделяют четыре основных признака интеллектуальности:

• Развитые коммуникативные способности;

• Умение решать сложные плохо формализуемые задачи;

• Самообучаемость;

• Адаптивность - адекватное отражение действительности.

4 Структура ИИС

Структура ИИС должна обязательно включать следующие три комплекса вычислительных средств:

• интеллектуальный интерфейс - система программных и аппаратных средств, позволяющих конечному пользователю использовать компьютер для решения задач его профессиональной деятельности без посредников, либо с незначительной их помощью (гибкость, возможность адаптации системы под интересы конечных пользователей).

• база знаний (БЗ) — информационная база, обеспечивающая остальные компоненты ИИС целостной и независимой системой знаний о предметной области. База знаний является центральным, интегрирующим звеном всей ИИС. Содержит в себе знания отдельных специалистов, групп людей, человечества в целом, касающиеся данной предметной области.

• исполнительная система - это совокупность программных средств, обеспечивающих решения конкретных прикладных задач предметной области с привлечением информации из БЗ.

3 Принципиальная схема действия ИИС

4 Базы знаний

Особенности представления знаний в БЗ

1. Внутренняя интерпретируемость. Каждая информационная единица должна иметь уникальное имя, по которому к ней обращаются и используют исполнительные системы одной или нескольких ИИС. Когда данные, хранящиеся в памяти, были лишены имен, то отсутствовала возможность их идентификации системой. Данные могла идентифицировать лишь программа, извлекающая их из памяти по указанию программиста, написавшего программу. Что скрывается за тем или иным двоичным кодом машинного слова, системе было неизвестно.

2. Структурированность. Информационные единицы должны были обладать гибкой структурой, то есть допускать возможность произвольного установления ними отношений типа “часть - целое”,” род - вид” или “элемент - класс”. Для них должен выполняться “принцип матрешки”, т.е. рекурсивная вложенность одних информационных единиц в другие. Каждая информационная единица может быть включена в состав любой другой, и из каждой единицы можно выделить некоторые её составляющие.

3. Связность. В информационной базе между информационными единицами должна быть предусмотрена возможность установления связей различного типа. Прежде всего эти связи могут характеризовать отношения между информационными единицами. Например: две или более информационные единицы могут быть связаны отношением «одновременно», две информационные единицы - отношением «причина - следствие» или отношением «быть рядом». Приведенные отношения характеризуют декларативные знания. Если между двумя информационными единицами установлено отношение «аргумент - функция», то он характеризует процедурное знание, связанное с вычислением определенных функций. Существуют - отношения структуризации, функциональные отношения, каузальные отношения и семантические отношения.

4. Семантическая метрика. На множестве информационных единиц в некоторых случаях полезно задавать отношение, характеризующее информационную близость информационных единиц, т.е. силу ассоциативной связи между информационными единицами. Его можно было бы назвать отношением релевантности для информационных единиц. Такое отношение дает возможность выделять в информационной базе совокупность информационных единиц, описывающую некоторые типовые ситуации

(например «покупка», «регулирование движения»). Отношение релевантности при работе с информационными единицами позволяет находить знания близкие к уже найденным.

5. Активность. С момента появления ЭВМ и разделения используемых в ней информационных единиц на данные и команды создалась ситуация, при которой данные пассивны а команды активны. Все процессы протекающие в ЭВМ инициируются командами, а данные используются этими командами лишь в случае необходимости. Для ИС эта ситуация неприемлема. Как и у человека, в ИС актуализации тех или иных действий способствуют знания, имеющиеся в системе. Выполнение каких-либо действий в ИИС должно инициироваться текущим состоянием информационной базы. Появление в базе фактов или описание событий, установление связей может стать источником активности системы.

Перечисленные пять особенностей информационных единиц определяют ту грань, за которой данные превращаются в знания, а базы данных перерастают в базы знаний (БЗ). Совокупность средств, обеспечивающих работу со знаниями, образуют систему управления базой знаний (СУБЗ). В настоящее время не существует баз знаний, в которых в полной мере были бы реализованы перечисленные вше особенности.

5 Модели представления знаний

Как известно, знания в базе знаний представлены в определенной форме.

При разработке конкретной модели представления знаний стараются учесть следующие требования:

1. Представление знаний должно быть однородным (единообразным). Од­нородное представление приводит к упрощению механизма управления логическим выводом и упрощению управления знаниями.

2. Представление знаний должно быть понятным экспертам и пользователям системы. В противном случае затрудняются приобретение знаний и их оценка.

Обычно выделяют четыре основных вида моделей представления знаний:

1. Логические модели;

2. Продукционные модели;

3. Семантические сети;

4. Фреймовые модели.

6 Виды ИИС

1. Системы с интеллектуальным интерфейсом.

• Интеллектуальные базы данных (работают на языке, близком к естественному, выдают не только хранимые данные, но и результаты логических выводов по ним);

• Гипертекстовые и гипермедийные системы;

• Системы когнитивной графики (соотнесение текстов и зрительных картин через общее представление знаний, интегрирующих символы и зрительные образы);

• Прикладные системы с естественным языковым интерфейсом;

2. Расчетно-логические системы;

3. Самообучающиеся системы.

• Индуктивные;

• На базе нейронных сетей;

• На основе нечеткой логики;

• ...

4. Экспертные системы.

9 Экспертные системы

Определение. Экспертная интеллектуальная система (ЭИС) - это компьютерная программа, использующая экспертные знания для обеспечения высокоэффективного решения задач в некоторой узкой предметной области.

Назначение ЭИС:

• Оказание консультационной помощи специалистам при решении задач, возникающих в слабоструктурированных и трудно формализуемых предметных областях;

• Аккумулирование знаний специалистов в конкретных предметных областях (экспертов) и тиражирование этого эмпирического опыта для консультаций менее квалифицированных пользователей.

Структура ЭИС

Очевидно, что она в целом соответствует ранее данной структуре ИИС. Исполняющая система состоит из следующих блоков:

• Решатель (машина вывода);

• Подсистема объяснений, позволяющая пользователю получить ответ на вопрос, каким образом системой было получено то или иное заключение;

• Интеллектуальный редактор БЗ - подсистема, позволяющая в диалоговом режиме модифицировать БЗ.

Каждый из блоков можно детализировать.

Пользователи ИС:

1. Пользователь, обладающий специальными знаниями в предметной области, но нуждающийся в рекомендации.

2. Эксперт, обладающий достаточными знаниями для формирования БЗ

3. Инженер по знаниям (когнитолог) - занимается вопросами проектирования и реализации ЭИС, на этапе эксплуатации помогает эксперту выявить и структурировать знания, необходимые для работы ЭИС.

4. Программисты-разработчики.

Классификация ЭИС

1. По классам решаемых задач

• Интерпретация (описание или объяснение ситуации из наблюдений);

• Предсказание (выявление последствий данной ситуации);

• Диагностика (в т.ч. выявление неисправностей через наблюдение);

• Проектирование (разработка конфигурации объектов, удовлетворяющим определенным требованиям);

• Планирование;

• Мониторинг - отслеживание ситуаций в реальном времени;

2. По связям со временем:

• статические (ЭС, решающие задачи в условиях не изменяющихся во времени исходных данных и знаний);

• динамические (ЭС, решающие задачи в условиях изменяющихся во времени исходных данных и знаний);

Этапы проектирования ЭС

1. Выбор проблемы (решается вопрос о необходимости и рациональности разработки ЭС)

2. Разработка прототипа ЭС (сбор информации, приглашение экспертов, создание группы разработчиков)

3. Доработка до промышленной ЭС

4. Оценка ЭС (оценка пользователями пользовательского интерфейса системы)

5. Стыковка ЭС (с другими ПО, где должна будет функционировать ЭС)

6. Поддержка ЭС

7. Доработка до коммерческой ЭС (доработка ЭС до готового коммерческого продукта, готового к продаже).