Архитектуры систем искусственного интеллекта. Экспертные системы

1.

Архитектуры систем искусственного интеллекта
Лекция 3. Экспертные системы
Бессмертный Игорь Александрович
[email protected]
дд.мм.гггг
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ПРОГРАММЫ В ОБЛАСТИ
ТЕХНОЛОГИЙ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА
1

2.

Название данного слайда
Определение
Экспе́ртная систе́ма (ЭС, англ. expert system) — компьютерная
система, способная частично заменить специалиста-эксперта в
разрешении проблемной ситуации.
(Википедия)
Проблемная ситуация — осознание, возникающее при выполнении
практического или теоретического задания, того, что ранее усвоенных
знаний оказывается недостаточно, и возникновение субъективной
потребности в новых знаниях, реализующейся в целенаправленной
познавательной активности.
(Психологический словарь)
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
http://www.onlinedics.ru/slovar/psychology/p/problemnaja-situatsija.html
2

3.

Название данного слайда
Предшественники
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
3

4.

Название
данногоотличается
слайда
Чем
справочник
от учебника?
Учебник не содержит готовых решений.
Источник знаний, но не умений.
Пример: Закон Джоуля-Ленца
Какое сечение кабеля требуется для нагрузки 5кВт? -- Вопрос без ответа.
Справочник не позволяет понять существо решаемой проблемы.
Источник умений, но не знаний.
Вопрос: Какое сечение кабеля требуется для U=220V и нагрузки 5кВт?
Ответ: 2,5 мм2 для медного кабеля.
Почему?
4
– Читай учебник.
Чем плохи традиционные справочники?
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

5.

Название
данного
слайдасправочники?
Чем
нас не
устраивают
Типичная рубрикация справочника:
Не заточен на
проблемные ситуации.
Проблемная
ситуация
обычно
составляется
как
мозаика.
В
бумажном
издании
сформировать
проблемную
ситуацию крайне сложно.
Введение
Глава 1 Общие вопросы
Как консультировать клиента
Как вести переговоры с противоположной стороной
Как составлять деловые бумаги
Как выступать с речью в суде
Глава 2 Все о договорах
Как грамотно составить договор
Хитрости при заключении договора с клиентом
О юридической чистоте сделок с недвижимостью
Советы по распространенным видам договоров
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
5

6.

Название данного
слайда систем
Назначение
экспертных
Быстрое разрешение проблемных ситуаций, возникающих
у специалиста, способного сформулировать такую
ситуацию.
Пример: Судовой врач (врач антарктической экспедиции)
сталкивается с ситуацией, требующей консультации
узкого специалиста. Искать ответ в десятках
справочников нет времени.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
6

7.

Название данного
слайда системам
Требования
к экспертных
Удобство использования. Если в бумажном справочнике
можно быстро найти требуемую информацию, ЭС не
нужна.
Работа с неполными данными. Если в отсутствие хотя
бы одного ответа на вопрос ответ не может быть
получен, ЭС бесполезна.
Экономическая эффективность. Если затраты на
создание ЭС превышают ожидаемую выгоду,
ЭС бесполезна.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
7

8.

Название данного
слайдаэкспертных систем
Предпосылки
создания
• 197х. Языки исчисления высказываний (Prolog, LISP).
• 198х. Появление персональных компьютеров.
• 198х. Энтузиазм интеллектуализации вычислений, вылившийся в
концепцию ЭВМ 5-го поколения.
• 198х. Скромные вычислительные ресурсы первых персональных
компьютеров.
Создание настоящих интеллектуальных систем
в то время было невозможным.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
8

9.

Название данного
слайда
Принцип
экспертной
системы
Проблемные ситуации → решения
НЕ моделирование рассуждений
НЕ генерация новых знаний
Моделирование сценариев диалога с экспертом
Идеальная ЭС обеспечивает логарифмическую
сложность поиска решения.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
9

10.

Названиене
данного
слайда
Почему
моделирование
рассуждений?
• Любые логические рассуждения вовлекают в себя множество
базовых знаний. Формализовать их невозможно.
• Поиск на дереве решений на большую глубину невозможен.
• Структуры и состав онтологий предметной области не
соответствуют целям и задачам ЭС.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
1
0

11.

Названиене
данного
слайда
Почему
генерация
новых знаний?
-- Потому что дедукция.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
1
1

12.

Названиелогарифмическая
данного слайда сложность?
Почему
Каждый вопрос разбивает множество альтернатив на равные
подмножества.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
1
2

13.

Название данного
слайда
Экспертные
системы:
Ранние реализации
197х. Стэнфордский университет. MYCIN – диагностика и лечение инфекционных
заболеваний. Ее создатель - врач и специалист в области вычислительной
техники Эдвард Шортлайф (Edward Shortliffe). Больной или доктор вводит в
MYCIN симптомы устанавливаемой болезни, а ЭС задает уточняющие вопросы и,
в конце концов, ставит диагноз и предлагает методы лечения.
1974-1983. Компания SRI International. PROSPECTOR – геологическая разведка
месторождений полезных ископаемых. PROSPECTOR вовлекает геолога в диалог,
чтобы, опираясь на его наблюдения, точно выбрать модель и дать ответ на
вопрос "Где бурить?". В 1984 году система точно предсказала существование
месторождения молибдена.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
1
3
https://www.interface.ru/home.asp?artId=27893

14.

Название данного
слайда
Структура
экспертной
системы
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
1
4
https://en.ppt-online.org/152834

15.

Название
данного слайда
Связь
экспертных
систем с реальным временем
Статические ЭС: Данные неизменные, срочности результатов нет.
Квазидинамические ЭС: Данные меняются периодически, срочности результатов нет.
Динамические (ЭС реального времени): Данные меняются непрерывно, решения
должны приниматься на актуальных данных.
Пример: Медицинские анализы в клинике.
ЭС реального времени встраиваются в контур управления.
Пример: Анестезия при хирургических операциях.
1
5
https://books.ifmo.ru/file/pdf/1080.pdf
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

16.

Название данного
слайда
Экспертные
системы
реального времени
Объект управления
Управление
Данные сенсоров
Экспертная система
Отображение
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
Похоже на классическую систему автоматического управления?
1
6

17.

Название данного
слайда
Экспертная
система
РВ Vs. САУ
Система автоматического управления:
Выходные данные
Входные данные
Модель объекта
-- Математическая модель объекта.
Экспертная система реального времени:
-- Эмпирический опыт.
Входные данные
Правила и
факты
Выходные данные
Не напоминает ли это нейронные сети?
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
1
7

18.

Название
слайда
ЭС
РВ Vs.данного
Нейронные
сети
Сходство:
-- Материализуют эмпирический опыт.
-- Не содержат модель объекта.
-- Не работают вне обученного диапазона параметров.
Отличие:
-- Нейронные сети не работают с лингвистическими переменными.
-- Нейронные сети не позволяют объяснять полученные результаты.
Если преобразовать лингвистические переменные в арифметические
или логические, то нейронные сети могут использоваться в качестве
ЭС РВ.
1
8
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

19.

Название данного
слайда системы
Диалоговые
экспертные
Способы организации диалога:
-- Вопросно-ответные системы.
-- Анкетирование.
-- Фреймы.
Варианты ответов:
-- Выбор альтернатив.
-- Ввод значений.
-- Контекстно-свободные ответы.
Способы ввода:
-- Текстовый.
-- Речевой.
1
9
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

20.

Название
данного
слайда системы
База
знаний
экспертной
ЕСЛИ бензин = true И искра = true ТО старт = true.
ЕСЛИ бензобак ≠ empty И бензонасос_жужжит = true ТО бензин = true.
ЕСЛИ аккумулятор_заряжен = true И катушка_исправна = true И свеча_исправна=true ТО искра = true.
Что-то здесь не так…
Правила замыкаются на успешный запуск двигателя.
Результат обхода дерева поиска: успех или неудача запуска.
Но мы и так знаем, что двигатель не запускается.
Полный обход дерева поиска даст результат,
который изначально известен!
Причина – несоответствие архитектуры базы знаний назначению экспертной системы (проблемная ситуация –
решение).
start
2
0
tank
pump
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
spark
fuel
battery
coil
plug

21.

Название
слайда
Кто
такойданного
эксперт?
ЭКСПЕРТ, а, м. [латин. expertus — опытный]. Сведущее лицо,
специалист, привлекаемый для того, чтобы высказать свое мнение,
дать заключение по поводу какого-н. дела, вопроса.
(Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова, 1935-1940).
Чем отличается эксперт от специалиста?
Человек, умеющий умножать в столбик – специалист.
Человек, владеющий таблицей умножения – эксперт.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
2
1

22.

Название данного
Архитектура
базыслайда
знаний экспертной системы
Обычная база знаний:
Причина → Следствие
База знаний экспертной системы:
Проблемная ситуация → Признаки → Диагноз → Решение
ЕСЛИ у пациента кривая улыбка ТО диагноз = инсульт.
ЕСЛИ страна А эвакуирует дипломатов из страны В ТО
страна А готовит нападение на страну В.
ЕСЛИ крысы бегут с корабля ТО корабль потерпит
крушение.
ЕСЛИ есть заросли полыни ТО здесь возможны залежи
вольфрама.
2
2
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

23.

Название данного
Архитектура
базыслайда
знаний экспертной системы
Гипотеза 1
Признак 1
Признак 2
Гипотеза 2
Признак 2
…
Признак 4
Гипотеза M
Признак 5
Исходное состояние:
Диагноз неизвестен (пользователю), симптомы тоже
неизвестны (машине).
С чего начать?
2
3
…
Признак N
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

24.

Название
данного
Поиск
сверху
внизслайда
От гипотез к признакам.
• Возможен ручной или автоматический отбор гипотез.
• Пользователь на основании собственных знаний
ранжирует гипотезы по убыванию важности (опасности) и
последовательно исключает их, пока не будет найдена
истинная.
• Эксперт также может отсортировать
гипотезы.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
2
4

25.

Название
данного
Поиск
сверху
внизслайда
Проблемы:
-- Экспоненциальная сложность поиска. Для ЭС не актуальна – нет
глубокой вложенности правил.
-- Порядок проверки гипотез. Гипотезы неравноценные. Стоимость
проверки разная.
Ранжирование гипотез по:
-- частоте встречаемости,
-- важности,
-- стоимости проверки.
Ранги не совпадают.
2
5
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

26.

Название данного
слайда
Сравнение
гипотез:
Пример
«Острый живот»
Гипотеза 1: Острый аппендицит.
-- Важность (опасность): очень высокая.
-- Стоимость проверки: высокая.
-- Встречаемость: частая.
Гипотеза 2: Желчнокаменная болезнь.
-- Важность (опасность): средняя.
-- Стоимость проверки: низкая.
-- Встречаемость: редкая.
Какую из гипотез проверять в первую очередь?
2
6
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

27.

Название данного
слайда
Ранжирование
гипотез
Парето-ранжирование:
Важность
Ранг 1
Ранг 2
Невозможно улучшить
один показатель, не
ухудшив другие.
Ранг 3
Ранг 4
Стоимость
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
2
7

28.

Название
данного
Поиск
снизу
вверхслайда
От признаков к гипотезам.
• Необходимо ранжирование признаков в порядке
убывания информативности.
• Один признак может подтверждать больше одной
гипотезы.
• Максимально информативный признак отсекает
половину гипотез.
• Ранжирование признаков может быть
автоматизировано без участия эксперта, а только
по числу отсекаемых или допускаемых гипотез.
2
8
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

29.

Название данного слайда
Информативность
признаков
Информационная энтропия по Шеннону.
Откуда взять pi – вероятности исходов?
-- Из внешних источников в процессе
проектирования БЗ.
-- Накапливать в процессе эксплуатации.
Клод Шеннон
1916 - 2001
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
2
9

30.

Название данного
слайда
Возвращаемся
к проблеме:
С чего начать?
Гипотеза 1
Признак 1
Признак 2
Гипотеза 2
Признак 2
…
Признак 4
Гипотеза M
Признак 5
…
Признак N
Пусть имеются признаки, заведомо известные пользователю.
• Тогда можно проверять только гипотезы, включающие эти
признаки.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
• Такие признаки можно извлекать из базы персональных данных
и диалога с пользователем.
3
0

31.

Название данногобазы
слайда
Сопровождение
знаний
Задачи
1. Резервное копирование и восстановление.
2. Индексация фактов.
3. Проверка целостности данных.
4. Устранение противоречивости данных.
5. Пополнение базы фактов.
6. Добавление и модификация правил.
7. Ведение статистики запросов.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
3
1

32.

Название данного базы
слайда
Персонализация
знаний
Проблема: «Разговорчивость» ЭС:
• Входные данные чаще всего доступны
только в диалоге.
• При каждом запуске большинство
вопросов задаются с самого начала.
Решение:
• Сохранять неизменные данные
пользователя в БЗ.
Подсмотрено: История болезней.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
3
2

33.

Название данного слайдабаза знаний
Персонализированная
Сессия
База знаний текущей сессии
Полльзователь
База персональных данных
Эксперт
База знаний ЭС
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
3
3

34.

Название данногообъяснения
слайда
Необходимость
результатов
• Доверие
к выводу экспертной системы
обеспечивается
объяснением
логического
вывода.
• Ошибки формализации знаний возможны всегда.
Анализ цепочки рассуждений может помочь их
выявить.
• Если пользователь не уверен в истинности
признаков, уверенность в результате также будет
невысокой.
• Необходимость объяснения результата может
существенно усложнить базу знаний.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
3
4

35.

Название данного
слайда
Объяснение
результатов
Потребитель – конечный пользователь.
Язык правил конечному пользователю недоступен.
Цитировать пользователю правила бесполезно.
Решение: Снабжать правила текстовыми комментариями.
Пример на Прологе:
diagnose(«Грипп», «Диагноз ГРИПП поставлен, поскольку есть высокая температура и
боль в глазах») :ask(temperature,T), T>38.5, ask(eyes_pain,yes).
Пример на JESS:
3
5
Jess> (defrule single_person
(person ?x)
(not (married ?x))
=>
(printout t ?x " is not married!" crlf))
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

36.

Название данного слайда
Инструментальные
средства экспертных систем
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
https://intuit.ru/studies/courses/3481/723/lecture/14238?page=8
3
6

37.

Название
данного слайда
Место
экспертных
систем в современном мире
Энтузиазм 1980-х по поводу интеллектуализации
всех сфер деятельности с помощью экспертных
систем оказался неоправданным.
Причины:
• Неспособность экспертов формализовать знания.
• Нежелание
экспертов
делиться
опытом
(консультант живет один раз).
• Высокие трудозатраты при сомнительных
перспективах коммерциализации.
3
7
Элементы экспертных систем находят применение в
составе систем поддержки принятия решений.
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

38.

Название
данного
слайда
ТРИЗ:
Пример
неоправдавшихся
ожиданий
ТРИЗ - Теория решения изобретательских задач (1956г.).
Набор эвристик для решения типовых проблемных
ситуаций.
● Хороший справочник изобретателя.
● Заточен на проблемные ситуации.
● С появлением персональных компьютеров появилась
возможность формализовать знаний ТРИЗ.
● Попытка создать программу-изобретатель успехом не
увенчалась.
Причина:
Огромное
количество
знаний, которые невозможно формализовать.
3
8
общих ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

39.

Название2:данного
слайда
Пример
Робот-юрисконсульт
Конституция РФ.
Статья 51. Никто не обязан свидетельствовать против себя самого, своего
супруга и близких родственников, круг которых определяется
федеральным законом.
Проблемная ситуация: Супруги попали на машине в аварию из-за
нарушения ПДД.
Непонятно, как это применить в ЭС:
● Не раскрыто понятие “свидетельствовать”.
● Нет однозначного толкования факта (за или против).
● Откуда ЭС узнает, что надо (или не надо) включать
в протокол показания супруги?
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА
● Откуда ЭС узнает, что статья 51 здесь
применима?
В Конституции и в ГК РФ сотни статей.
3
9

40.

Название данного слайда
Заключение
• Экспертные системы – способ обеспечить
широкий доступ к опыту экспертов.
• Эксперт – человек, способный находить
решения, минуя рассуждения.
• База знаний экспертной системы – не знания, а
интеллектуальные навыки.
• База знаний экспертной системы содержит
короткие цепочки связей между признаками
проблемной ситуации и решениями.
• Такая организация баз знаний экспертных систем
позволяет устранить проблему вычислительной
сложности поиска решений.
4
0
ВИДЕО ДОКЛАДЧИКА

41.

Спасибо за внимание!
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ПРОГРАММЫ В ОБЛАСТИ
ТЕХНОЛОГИЙ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА