Глава 8. Архитектура интеллектуальных систем.

Глава 8. Архитектура интеллектуальных систем.

Проектирование базы знаний.

Основу - ядро любой интеллектуальной системы - составляют база знаний и заложенный в систему механизм вывода решений. Если говорить обобщенно, эти компоненты определяют две основные интеллек­туальные характеристики системы: способность хранить знания о чем-то и умение оперировать этими знаниями. Более развитым системам, основанным на знаниях, присуща также способность обучаться, т. е. приобретать новые знания, расширять БЗ, кор­ректировать знания в соответствии с изменяющимися условиями и ситуацией в предметной области.

При проектировании интеллектуальных систем значительные усилия и время за­трачиваются на разработку БЗ, т. е. накопление знаний, создание модели представления знаний, их структурирование, заполнение БЗ и дальнейшее поддержание ее в актуальном состоянии. Преж­де чем приступить к проектированию и реализации БЗ, разработ­чикам необходимо осмыслить и разрешить ряд вопросов, непос­редственно связанных с процессом создания БЗ и интеллектуальной системы в целом. Попытаемся очертить круг задач, решаемых на начальном этапе разработки интеллектуальной системы (при условии, что вопрос о целесообразности разработки интеллектуальной системы в этой области решен положительно):

- изучение проблемной области (объекта, задач, целей), т. е. «что представлять в БЗ» и «для чего представлять»;

- определение понятия «знание» в контексте исследуемой проб­лемной области;

- выявление источников знаний, активная и кропотливая рабо­та с ними;

- определение типов знаний для решения задачи;

- оценка на основе исследования проблемной области и харак­тера знаний пространства поиска решений с целью выбора спосо­ба структуризации знаний и метода поиска решений (механизма вывода);

- определение способа структуризации знаний, т. е. того, «как представлять знания»;

- выбор способа представления знаний;

- определение структуры БЗ;

- определение характера взаимодействия структурных частей БЗ, а также взаимодействия ее с другими компонентами ПСИИ в процессе поиска решений;

- подготовка к процессу заполнения БЗ.

Безусловно, количество, содержание и последовательность ре­шения этих задач на начальном этапе разработки интеллектуальной системы может меняться. Это зависит от многих факторов: характера и сложнос­ти объекта и проблемной области; целей, которые ставит разра­ботчик перед проектируемой системой и собой; ступени определен­ности и структурируемое знаний; условий для успешного приоб­ретения знаний, а также взаимоотношения с экспертами и др. Тем не менее здесь необходимо подчеркнуть основную мысль: разработка БЗ, выбор ее структуры, способ представления знаний, работа с экспертами являются наиболее важными и сложными задачами при проектировании интеллектуальной системы и успех в решении этих за­дач во многом предопределяет полезность и эффективность рабо­ты всей системы, основанной на знаниях. Рассмотрим коротко содержание и проблематику этих задач. Некоторые из них были рассмотрены выше.

Оценка пространства поиска решений.

На основе изучения проблемной области и характера получаемых знаний можно оце­нить пространство поиска решений. Эта оценка важна для выбо­ра способа представления и структуризации знаний, а также да лее для выбора метода поиска решений и построения процедур вывода. Размеры пространства поиска решений определяются многими факторами, и прежде всего - характером данных и зна­ний предметной области и спецификой решаемых задач. В наи­более простых случаях происходит некоторая идеализация проб­лемной области и принимается, что данные и знания достаточно детерминированы и надежны. В некоторых ПСИИ этих допущений достаточно для довольно успешного их функционирования. Все зависит от поставленных перед системой задач и сложности пред­метной области.

Достоинством интеллектуальных систем, основывающихся на надежных и опре­деленных знаниях и данных, является возможность реализации монотонных БЗ. При такой реализации БЗ новые знания и пра­вила включаются в нее без пересмотра и удаления некоторых хранящихся знаний. Кроме того, в таких системах используются данные и факты, неизменяющиеся во времени. Наиболее вероят­ным способом реализацииБЗ в этом случае являются организа­ция ее в виде списков выведенных заключений или использование декларативных форм представления.

Однако в реальной практике знания и данные редко бывают полностью детерминированными и надежными. С неопределенны­ми или неполными данными сталкиваются при решении различ­ных задач во многих производственных системах. Такого типа информация естественна, например, в задачах диагностики, уп­равления технологическими процессами и др.

Для структуризации, формализации и работы с неточными неопределенными знаниями и данными используются различные методы. Они в основном базируются на вероятностном подходе и подходе, основанном на теории нечетких множеств. При вероят­ностном подходе применяются, например, различные априорные и условные вероятностные оценки на основе правила Байеса. В нечетких подходах используются описания знаний на основе теории нечетких множеств.

При решении некоторых типов экономических и производственных задач требу­ются знания и рекомендации об изменяющихся во времени си­туациях. К таким задачам, например, относятся задачи диспетче­ризации, мониторинг фондового рынка. Для представления ситуационных знаний разработаны такие средства описания, как ситуационное исчисление и язык си­туационного управления. Ситуационное исчисление приме­няется для описания последовательности действий и их резуль­татов. Ситуации моделируются в совокупности с объектами проб­лемной области. Характерной особенностью здесь является диск­ретность состояний. Действия в ситуационном исчислении пред­ставлены функциями. Областью определения этих функций явля­ются ситуации.

При использовании языка ситуационного управления в конк­ретной проблемной области возникает проблема формирования лексики [48]. Создаются словари базовых понятий, отношений, действий, оценок, квантификаторов, модификаторов, имен и модальных операторов, которые должны отражать все стороны пред­метной области и стратегий управления, что необходимо для раз­работки адекватной системы ситуационного управления. Основны­ми являются три словаря: понятий, отношений и действий.

Выше коротко рассмотрены возможный характер знаний и их природа в основных типах экономических и производственных задач, а также пред­посылки к их структуризации и представлению в БЗ с использо­ванием существующих разнообразных средств описания знаний и данных. Таким образом, для выбора способа представления зна­ний, структуры БЗ, метода поиска решений необходимы сведения о полноте, определенности и объеме знаний, размерах пространства поиска решений, о требуемом характере работы проектируе­мой системы и др.

Интеллектуальный интерфейс.

Производственные системы ИИ функционируют в подавляющем большинстве реализаций в интерактивном режиме с пользователями, поэтому они должны обладать дружелюбным интерфейсом, позволяющим человеку легко и в удобной для него форме взаимодействовать с компонентами. Общение человека и ИС могут обеспечивать и реализовывать различные программные и технические средства ввода и вывода информации.

Термин «пользовательский интерфейс» охватывает все аспекты взаимодействия между пользователем и интеллектуальной СПР. Он включает не только техническое и программное обеспечение, но также факторы, которые связаны с обеспечением использования, доступности и человеко-машинного взаимодействия. Многие специалисты определяют пользовательский интерфейс как наиболее важный компонент системы, т.к. большинство характеристик, таких как эффективность, гибкость, легкость использования являются производными этого компонента.

Развитие способностей и возможностей комфортного и качественного взаимодействия пользователя с системой, которая организует, предоставляет этот компонент, позволяет говорить об интеллектуальном интерфейсе.

Подсистема интеллектуального интерфейса управляется программным обеспечением, называемым управляющая система интеллектуального интерфейса. Эта управляющая система состоит из нескольких программ, которые обеспечивают способности, некоторые из которых перечислены ниже:

- обеспечение графического пользовательского интерфейса;

- организация взаимодействия пользователя с различными входными устройствами;

- представление данных с различными форматами и на разные входные устройства;

- представление пользователю помощи, подсказок, советов, диагностического режима работы или другой гибкой поддержки;

- обеспечение взаимодействия с БД и базой моделей;

- хранение входных и выходных данных;

- обеспечение цветной графики, трехмерной графики и плоттинга данных;

- окна, позволяющие отображать множество функций одновременно;

- поддержка взаимодействия между пользователями и разработчиками системы;

- обеспечение обучения на примерах;

- обеспечение гибкости и адаптивности, что позволяет интеллектуальной СПР вмещать различные задачи и технологии;

- взаимодействовать во многих различных стилях диалога и др.

Виды интерфейса.

Вид интерфейса определяет как информация введена и отображена.Он также определяет легкость и простоту обучения и использования системы. Рассмотрим коротко следующие виды интерфейса: взаимодействие на основе меню, командный язык, вопросно-ответный, формирование взаимодействия, обработка естественного языка и графический пользовательский интерфейс.

Взаимодействие на основе меню. При этом виде взаимодействия пользователь выбирает позицию или пункт из списка возможных выборов (меню) для того, чтобы функция была выполнена. Меню появляются в логическом порядке, начиная с главного меню и продвигаясь к локальным меню.

Пункты меню могут включать команды, которые появляются в отдельных локальных меню или в меню с не командными пунктами. Меню может оказаться утомительным и продолжительным по времени, когда анализируются сложные ситуации, т.к. это может потребовать несколько меню для построения или использования системы и пользователь должен перемещаться назад и вперед меню.

Командный язык. При это виде пользователь вводит команды. Многие команды включают комбинации глагол-существительное. Некоторые команды могут исполняться с функциональными ключами. Другим способом упрощения команд является использование макросов. Команды могут также вводиться голосом.

Вопросно – ответный вид интерфейса начинается с вопросов компьютера пользователю. Пользователь отвечает на вопросы фразой или предложением (или выбором пункта меню). Компьютер может подсказывать пользователю для прояснения или дополнительного ввода информации. В некоторых применениях порядок вопросов может быть обратным: пользователь задает вопросы, а компьютер дает ответы.

Формирование взаимодействия. Пользователь вводит данные или команды в обозначенные формы (поля). Заголовки формы (или отчета, или таблицы) служат подсказками для входа. Компьютер может представлять какой-то выход как результат, и пользователь может быть спрошен о продолжении интерактивного процесса.

Естественный язык. Взаимодействие человек – компьютер, которое подобно диалогу человека с человеком называется естественным языком. Сегодня диалог на естественном языке выполняется главным образом посредством клавиатуры. Такой диалог будет проводиться в будущем с использованием голоса для ввода и вывода информации. Главным ограничением использования естественного языка является по существу неспособность компьютера понимать естественный язык. Однако, достижения ИИ все больше повышают уровень диалога на естественном языке.

Графический пользовательский интерфейс. В графическом пользовательском интерфейсе объекты обычно представляются как пиктограммы (или символы) и пользователь непосредственно ими манипулирует. Новейшие операционные системы компьютеров и их приложения исключительно основаны на графике.

Графика.

Основной целью графического ПО является представление зрительных образов информации на мониторе компьютера, принтере, плоттера. Представляемая информация может быть сконструирована из числовых данных и показана как графики, таблицы или диаграммы, либо она может быть порождена из текста и символов, а выражена как рисунки или картинки.

Граница между приложениями, ориентированными на диаграммы и графики, которые используют числовые данные, весьма условная.

Многие программные продукты поддерживают оба приложения. Графическое ПО может быть либо автономным пакетом, либо оно может быть интегрировано с другими программными пакетами.

Интегрированные программные пакеты позволяют менеджерам создавать графический выход непосредственно из БД или электронных таблиц нетехническим и дружественным пользователю способом.

Новые понятия трехмерной графики и виртуальной реальности дают возможность пользователям визуально представлять задачи и решения более эффективными способами.

Графические средства могут быть особенно важными для решения бизнес-задач и поддержки принятия решений, т.к. они помогают менеджерам визуально представлять данные, отношения и результаты.

Мультимедиа и гипермедиа.

Пользовательский интерфейс может быть обогащен мультимедийными средствами. Использование мультимедиа в системах поддержки решений является все более преобладающей тенденцией.

Мультимедиа может быть также частью процесса обработки информации и принятия решений. Мультимедиаотносится к медиа-средствам человеко-машинного взаимодействия, некоторые из которых могут быть объединены в одном приложении (таблица 8.1). В информационной технологии основной идеей интерактивного мультимедийного подхода является использование компьютеров для улучшения человеко-машинного взаимодействия путем использования нескольких медиасредств с компьютеризированной системой в центре и в основе приложения. Такая интеграция позволяет объединять усилия и возможности звука, текста, графики и других медиасредств. Один из классов мультимедиа называется гипермедиа.

В настоящее время усиливается тенденция включения мультимедийные типы данных непосредственно в интеллектуальные СПР и ЭС при поддержке их хранения, поиска и манипулирования.

Гипермедиа описывает документы, которые могут содержать несколько типов медиасредсв, позволяющих связывать информацию путем ассоциаций.

 

Таблица 8.1

Медиасредства человеко – машинного взаимодействия.

 

Компьютеры СD-ROM Интерактивный компьютерный видеодиск Цифровое видео взаимодействие Компьютерная имитация Телетекст/ видеотекст Гипертекст Интеллектуальная обучающая система Перевод образа в цифровой вид Сканеры Проецирование экрана Объектно-ориентированное программирование Движущийся образ Видео диск (кассета) Движущиеся картинки Телевидение Телеконференция/ видеоконференция Анимация Виртуальная реальность

Проектируемы визуальные кадры Слайд Графопроектор Графические материалы Картинки Напечатанные наглядные пособия Визуальный показ Аудио Лента/кассета/запись Телеконференция/ аудио конференция Перевод изображения в цифровой вид Микрофон Компакт диск Музыка Текст

 

Гипермедиа может содержать несколько информационных пластов таких как:

- естественно языковой интерфейс на основе меню для обеспечения простого и прозрачного способа для пользователей при эксплуатации системы\;

- объектно-ориентированную БД, которая допускает одновременный доступ к ее структурам данных и одновременные действия;

- реляционный вопросный интерфейс, который может эффективно поддерживать сложные вопросы;

- абстрактный механизм гипермедиа, который дает возможность пользователям соединять различные типы информации;

- медиаредакторы, которые обеспечиваю способы обозрения и редактирования текста, графиков, образов и голоса.

Гипертекст – это подход для обращения с текстовой и графической информацией, который позволяет пользователям перескакивать от данной темы, когда они захотят, к относящимся к ней идеям. Гипертекст позволяет пользователям осуществлять доступ к информации нелинейно, следуя мысленному ряду. Он позволяет пользователю управлять уровнем детализации и выбирать тип отображаемой информации. Он также позволяет осуществлять быстрый поиск в соответствии с интересом пользователя.

Т.о., под гипертекстом понимают систему информационных объектов, объединенных между собой направленными связями, образующими cеть [26]. Каждый объект связывается с информационной панелью экрана, на которой пользователь может ассоциативно выбирать одну из связей. Информационные объекты могут быть текстовыми, графическими, музыкальными, анимационными и др. Гипертекстовая технология открыла новые возможности освоения информации, качественно отличающиеся от традиционных. Поиск информации осуществляется не по ключу, а путем перемещения от одних объектов информации к другим с учетом их смысловой связанности. Эта технология ориентирована на вовлечение человека в процесс обработки информации. Гипертекст содержит не только информацию, но и аппарат ее эффективного использования.

Гипертекстовая технология является основой для инструментальных средств Web браузеров и играет важную роль в облегчении процессов поиска.

Гипертекст пока находится на стадии своего развития. Эта технология может способствовать улучшению интерфейсов пользователя в системах поддержки решений, а также усиливать способности ЛПР. Гипертекст является эффективным подспорьем инструментальных средств развития интеллектуальных и экспертных систем. Обе технологии имеют дело с переносом знаний. Однако, в гипертекстовой технологии, пользователь управляет инструментами поиска, и он не всегда может делать это наиболее эффективным способом.

ЭС могут вести и направлять пользователей. Поэтому плодотворной является интеграция высокоуровневого гипертекста, мультимедиа и объектно-ориентированных языков со способностями интеллектуальных систем поддержки решений и ЭС. Такая интеграция дает возможности более мощного, полного и всестороннего представления знаний. Реализуется эффективное взаимодействие между экспертом и новичком, учителем и учеником, консультантом и менеджером.

По мере того как СУБД развивается в объектно-ориентированные системы, возрастает тенденция к управлению объектами в БД. Эти объекты могут представлять собой некоторое число мультимедийных типов данных и содержать мультимедийные документы. Индивидуальные пиктограммы графического интерфейса пользователя характеризуются как стандартные объекты, которые используются для взаимодействия с пользователями. Детали программ, которые описывают объекты, скрыты от пользователя. Все, что видит пользователь – это то, что появляется на экране. Например, кнопка или специальное поле.

Сложные объектно-ориентированные модели данных и их результаты могут быть обработаны и представлены ЛПР в 10-100 раз быстрее, чем это могут сделать реляционные базы данных.

Другим аспектом объектно–ориентированного подхода является визуальное программирование: Visual Basic, Visual C++ и другие визуальные программные системы.

Виртуальная реальность.

Все большее число сегодняшних системных приложений имеют трехмерные пользовательские интерфейсы. Такое представление особенно важно в производственной и маркетинговой среде. Трехмерный пользовательский интерфейс предлагает богатые возможности для качественных взаимодействий, которые используют естественные опыты разума в пространственном восприятии. Трехмерный интерфейс имеет несколько преимуществ: трехмерность предоставляет больше информации, организация представления информации для программиста более легкая, представления являются более выразительными и возрастают возможности для использования цветов.

Однако, в трехмерных средах, которые показаны на плоских двухмерных экранах, мы видим только двухмерные проекции трехмерных образов. Пользователь должен выводить геометрические свойства и пространственные отношения. Статические образы могут быть трудны для понимания. Стерео обозрение помогает с глубинным восприятием, но для охвата сложного экранного изображения полностью, лучше дать возможность пользователю свободно двигаться зрительно вокруг объектов путем манипулирования виртуальной камеры. Поэтому реализация трехмерного пользовательского интерфейса является трудной и дорогой. Одной из наиболее интересных реализаций трехмерного интерфейса является виртуальная реальность.

В виртуальной реальности вместо обозрения плоского экрана компьютера, пользователь взаимодействует с трехмерной средой, созданной компьютером. Для взаимодействия с управляемыми объектами или движения вокруг них, пользователь надевает на себя компьютеризованный дисплей, покрывающий голову, который является проводником для имитации поведения, движения и жестов. Также он надевает специальные перчатки с сенсорами.

Отображения виртуальной реальности достигает иллюзии окружающей среды путем изменений отображений в реальном времени. Пользователь может хватать и двигать виртуальные объекты. Виртуальная реальность доступна в некоторых играх и ограниченных коммерческих приложениях. Однако, в течение десятилетия или около этого, эта технология будет иметь много коммерческих приложений.

Естественный язык.

Естественной формой общения человека с ИС является язык, на котором он говорит. В настоящее время одной из основ­ных проблем искусственного интеллекта является развитие сис­тем понимания естественного (или ограниченного естественного) языка, диалоговых систем человеко-машинного взаимодействия [69, 47, 38, 125, 132, 111]. Языки, с помощью которых пользователь может об­щаться с машиной, можно разделить на три класса: регламенти­рованные, профессионально-ориентированные и естественные [49].

При регламентированном языке система сама выбирает вари­ант диалога и ведет его. Примерами регламентированного языка могут служить «меню» и анкетный язык. Преимущества такого способа общения - простота и надежность. Однако жестко за­планированный и заложенный в память системы сценарий диалога не может предусмотреть все возможные варианты диалога.

Более совершенной формой общения пользователя с системой является общение на ограниченном естественном языке. Лексика здесь ограничена предметной областью, к которой язык отнесен. Эта форма общения дает возможность пользователю задавать вопросы на ограниченном естественном языке, перефразировать, их. Однако она исключает различные формы одного и того же слова и пользователь не может выйти за рамки того словар­ного запаса, который определен для данной системы.

Естественно-языковые (ЕЯ) системы, которые обрабатывают произвольный набор текстов, в настоящее время в законченном виде не существуют. Говоря о ЕЯ системах, подразумевают сис­темы, ориентированные все-таки на определенную предметную об­ласть, обладающие более развитыми, по сравнению с системами профессионально-ориентированными, возможностями восприятия языка и обеспечивающие больший комфорт пользователю.

Исследования и разработки в области теории восприятия есте­ственного языка привели к осознанию следующих положений: вос­приятие ЕЯ - чрезвычайно сложная задача; успешный подход к ее решению можно осуществить только на основе интегральных методов, охватывающих все стороны проблемы (ввод, установле­ние связей между словами, выделение незначительной информации, просеивание поступающих данных и т.д.); известны опреде­ленные методы, которые в принципе применимы к решению по­ставленной задачи; на успешное решение задачи в полном объеме могут оказать влияние достижения в области вычислительной лингвистики и общей лингвистики.

В настоящее время реализуются преимущественно диалоговые интерфейсы ПСИИ, ориентированные на использование в конк­ретных предметных областях и совмещающие различные формы ведения диалога, например, на ограниченном естественном языке или «меню».

Глава 8. Архитектура интеллектуальных систем.

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Архитектура 16-разрядного процессора первого поколения
2. Архитектура 64-разрядных и многоядерных процессоров
3. Архитектура OpenGL и синтаксис команд (км)
4. АРХИТЕКТУРА АРАБСКОГО ХАЛИФАТА
5. Архитектура базовой сети SAE
6. Архитектура и функционирование серверных и клиентских компьютеров
7. Архитектура информационных систем и
8. Архитектура микропроцессорных систем.
9. Архитектура многослойной сети прямого распространения.
10. Архитектура мозга: начальные сведения
11. Архитектура программного обеспечения
12. Архитектура процессоров второго поколения