§ 38. Базы знаний и экспертные системы

Определения и обозначения

База знаний — хранилище формализованных знаний о некоторой предметной области. В ней находятся факты, понятия и правила их связи, а не только отдельные записи. Она нужна программе, чтобы не просто находить сведения, а делать выводы на их основе.

Экспертная система — программа, которая использует знания о предметной области для решения задач или выдачи рекомендаций. Пользователь описывает ситуацию, а система сопоставляет её с имеющимися знаниями. Такой подход помогает получать решения там, где требуется опыт специалиста.

Правило вывода — условная запись вида «если…, то…», связывающая известные факты с новым заключением. Например: если почва сухая, то растение нужно полить. Правила нужны для формального описания рассуждений эксперта.

Механизм логического вывода — компонент экспертной системы, который применяет правила к имеющимся фактам. Он проверяет условия, выбирает подходящие правила и добавляет полученные заключения. Благодаря ему система превращает набор сведений в последовательность рассуждений.

Как это устроено

Сначала знания собирают у специалиста предметной области: он описывает объекты, признаки, типичные случаи и способы принятия решений. Затем специалист по представлению знаний переводит эти сведения в форму фактов и правил, понятную программе. Такое разделение необходимо, потому что эксперт мыслит содержательно, а компьютер работает с точными формальными конструкциями.

База знаний обычно состоит из фактов и правил. Факты описывают предметную область или конкретные свойства объектов, а правила задают, при каких условиях из фактов можно получить заключение. Благодаря такому устройству новые знания можно получать логически, не записывая заранее каждый возможный ответ.

Механизм вывода сопоставляет условия правил с фактами, находящимися в рабочей памяти. Подходящее правило применяется, а его заключение добавляется к известным сведенияям и может стать условием для следующего шага. Так строится цепочка рассуждений от исходной ситуации к результату.

С пользователем экспертная система взаимодействует через интерфейс: принимает описание ситуации, задаёт уточняющие вопросы и показывает рекомендацию или диагноз. В некоторых системах предусмотрены средства объяснения вывода. Они показывают, какие факты и правила привели к результату, поэтому пользователю легче проверить ответ.

Экспертная система не равна базе знаний, потому что одной коллекции знаний недостаточно для решения задачи. База хранит содержание, а программа применяет его к конкретным данным и организует взаимодействие с человеком. Поэтому результат появляется благодаря совместной работе знаний, механизма вывода и других компонентов.

Компоненты экспертной системы и их назначение

При разборе работы системы сначала найдите исходные факты, затем правила, условия которых выполнены. После этого определите, какой компонент использует полученный вывод и как результат сообщается пользователю. Таблица помогает отличить хранение знаний от их применения.

Разбор задач

Задача 1

Дано правило: «если температура выше 38 °C, то есть жар». Известен факт: «температура — 39 °C». Требуется определить заключение системы и проверить, выполнено ли условие правила.

1. Сравним значение 39 °C с порогом 38 °C: 39 больше 38.
2. Условие правила выполнено, поэтому механизм вывода применяет это правило.
3. К фактам добавляется заключение «есть жар».

Ответ: система сделает вывод: «есть жар». Он получен не по догадке, а применением правила к известному числовому факту.

Задача 2

Известны факты «идёт дождь» и «на улице холодно». Даны правила: «если идёт дождь, взять зонт» и «если холодно, надеть куртку». Нужно получить все рекомендации, которые следуют из этой ситуации.

1. Факт «идёт дождь» совпадает с условием первого правила, поэтому появляется рекомендация взять зонт.
2. Факт «на улице холодно» совпадает с условием второго правила, поэтому появляется рекомендация надеть куртку.
3. Так как оба условия выполнены, система сохраняет обе рекомендации, а не выбирает только одну.

Ответ: нужно взять зонт и надеть куртку. Два независимых факта активировали два разных правила.

Задача 3

Составим простую систему, которая решает, можно ли поливать растение. Пусть влажность почвы бывает высокой или низкой, а также учитывается недавний полив. Рассмотрим ситуацию: почва сухая, но растение поливали сегодня.

1. Запишем факты: «влажность почвы — низкая» и «полив был сегодня».
2. Зададим правила: «если почва сухая и полива сегодня не было, то поливать можно»; «если полив был сегодня, то повторно поливать не нужно».
3. В текущей ситуации первое правило не срабатывает из-за отсутствия условия «полива сегодня не было», а второе правило срабатывает.

Ответ: растение повторно поливать не нужно. Пример показывает, что для вывода важны не только отдельные признаки, но и их сочетание.

Типичные ошибки

Считать базу знаний обычным хранилищем данных. Так думают, потому что и там, и там есть сведения, но в базе знаний присутствуют ещё правила и связи. Проверьте себя: можете ли вы указать, по какому правилу система получит новый вывод?

Путать факты и правила. Факт описывает уже известную ситуацию, а правило задаёт условие и возможное заключение. Для проверки спросите: это утверждение о ситуации или инструкция, когда сделать вывод?

Полагать, что система выводит любой ответ сама по себе. Механизм работает только с введёнными данными и знаниями, которые есть в базе. Проверьте, найдено ли правило, действительно связывающее исходный факт с ответом.

Считать экспертную систему безошибочной и универсальной. Её выводы ограничены предметной областью и качеством базы знаний, поэтому незнакомый случай может привести к ошибке. Проверьте полноту исходных данных и условия, в которых система вообще предназначена работать.

Связь с другими темами

Для понимания темы полезны факты, правила и логические выражения: они показывают, как формулировать условия алгоритма. Связь с базами данных помогает отличить хранение сведений от представления знаний, предназначенных для вывода. Эти идеи используются при изучении искусственного интеллекта и интеллектуальных программ, где компьютер анализирует данные и выбирает решение.

Что запомнить

• База знаний хранит формализованные знания о предметной области.
• Факты описывают ситуацию, а правила связывают условия с выводами.
• Механизм вывода применяет правила к имеющимся фактам.
• Экспертная система использует знания для решения задач в определённой области.
• Качество результата зависит от полноты и точности знаний.
• Экспертная система не заменяет эксперта во всех ситуациях.