§ 39. Реляционная модель экспертной системы

Определения и обозначения

Экспертная система — программа, которая использует знания некоторой предметной области, чтобы отвечать на вопросы и решать задачи, обычно требующие участия специалиста. Она не просто хранит сведения, а обрабатывает их по заданным правилам. Поэтому её применяют там, где нужно получить обоснованный вывод из известных фактов.

База знаний — часть экспертной системы, в которой хранятся сведения о предметной области и зависимости между ними. В ней могут находиться факты об объектах, их свойствах и связи между записями. Такая база нужна, чтобы система опиралась не на случайные данные, а на организованные знания.

Реляционная модель знаний — способ представления знаний с помощью отношений, то есть таблиц с именованными столбцами и строками. Каждый столбец задаёт некоторый признак, а строки содержат конкретные наборы значений. Табличная форма делает сведения удобными для поиска, отбора и объединения.

Кортеж — строка отношения, содержащая значения атрибутов и представляющая один факт о предметной области. Например, строка с именем животного, его классом и средой обитания описывает один объект. Понятие кортежа помогает точно понять, какие значения относятся друг к другу.

Как это устроено

Экспертной системе нужны не только отдельные данные, но и знания о том, как они связаны. Запись «дельфин» сама по себе почти ничего не сообщает: необходимо знать его класс, среду обитания или питание. Связи и свойства позволяют системе отвечать на содержательные вопросы, а не просто находить совпадение слов.

Сначала из предметной области выбирают сведения, важные для решения задачи, и распределяют их по отношениям. Если нужно описывать животных, в таблице можно выделить имя, класс и среду обитания. Столбцы становятся атрибутами, потому что каждый из них отвечает на определённый вопрос об объекте и принимает значения одного типа.

Кортеж фиксирует конкретный факт, поскольку все его значения относятся к одному объекту или событию. В строке «дельфин, млекопитающее, море» имя, класс и среда обитания образуют единое описание именно дельфина. Если поместить туда сведения о разных животных без ясного основания, строка перестанет иметь однозначный смысл.

Одной таблицы часто недостаточно: сведения об объектах, питании и местах обитания могут храниться отдельно. Общий атрибут, например имя животного, позволяет сопоставить строки из разных отношений. Система сначала отбирает записи по условиям, а затем соединяет подходящие сведения и формирует ответ на запрос.

Логические правила нужны, чтобы переходить от известных фактов к новым заключениям. Например, правило «если животное — млекопитающее, то оно теплокровное» применяется к записи о классе животного. Полученный вывод может не быть отдельной строкой исходной таблицы, но он обоснован фактами и правилом.

Элементы реляционного представления знаний

При чтении таблицы сначала смотрят на заголовки: они показывают, что означает каждое значение. Затем рассматривают строку целиком, потому что только вместе её значения образуют факт. Для запроса к нескольким таблицам находят общий атрибут и проверяют, какие строки можно сопоставить.

Разбор задач

Задача 1

Дана таблица «Животные» со столбцами «Имя», «Класс», «Среда обитания». Нужно определить, какие сведения задаёт строка «дельфин, млекопитающее, море». Здесь важно не перепутать всю строку с отдельным значением.

1. Определяем, что строка таблицы является кортежем.
2. Сопоставляем значения с заголовками столбцов: «дельфин» — имя, «млекопитающее» — класс, «море» — среда обитания.
3. Объединяем сведения в один факт о конкретном животном.

Ответ: кортеж сообщает, что дельфин — млекопитающее, живущее в море. Каждое значение относится к своему атрибуту, но вместе они описывают один объект.

Задача 2

В таблицах «Животные» и «Питание» требуется найти животных, которые живут в воде и питаются рыбой. Нужно использовать оба условия, иначе в ответ попадут лишние записи. Таблицы связывают по общему атрибуту, например по имени животного.

1. В таблице «Животные» оставляем строки, где значение атрибута «Среда обитания» равно «вода».
2. В таблице «Питание» выбираем строки, где значение атрибута «Пища» равно «рыба».
3. Сопоставляем выбранные строки по имени животного и оставляем совпадения.

Ответ: результатом станут имена животных, присутствующие в обеих отобранных группах. Так система одновременно проверяет среду обитания и питание.

Задача 3

В базе есть факт «дельфин — млекопитающее» и правило «если животное — млекопитающее, то оно теплокровное». Требуется определить, какой новый факт получит система. Нужно отличить исходную запись от вывода, полученного рассуждением.

1. Находим в базе факт, подтверждающий условие правила: дельфин является млекопитающим.
2. Подставляем этот объект в правило и применяем его заключение.
3. Записываем результат как новый выведенный факт.

Ответ: система получает факт «дельфин — теплокровный». В исходной таблице могло не быть такой записи, потому что она появилась после применения логического правила.

Типичные ошибки

Ошибка: считать таблицу экспертной системой. Таблица хранит факты, но сама не выполняет выводы; так думают из-за того, что в ней уже видны ответы. Проверьте себя: найдите в описании системы правила и механизм обработки знаний.

Ошибка: путать атрибут и его значение. «Среда обитания» — название столбца, а «море» — значение в конкретной строке; путаница возникает, когда их называют одним словом «данные». Для проверки спросите себя, можно ли указать под этим термином много разных значений.

Ошибка: записывать в один кортеж сведения о разных объектах без общего основания. Такой кортеж появляется при попытке сэкономить строки, но становится непонятно, к кому относится каждый признак. Проверьте, описывает ли строка один объект или одно событие.

Ошибка: считать, что любой ответ уже записан в таблице. Это происходит, если не отличать исходный факт от результата правила. Проверьте ответ: найдите его строку в базе, а затем выясните, не был ли он выведен сопоставлением фактов.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о таблицах баз данных: полях, записях и значениях. Полезно различать факт и логическое правило, потому что первое хранится в базе, а второе задаёт способ вывода.

Реляционное представление связывает информатику с базами данных, запросами и формальным представлением знаний. Позже эти идеи помогают понимать, как отбирать записи и объединять сведения из разных таблиц.

Что запомнить

• Реляционная модель представляет знания отношениями-таблицами.
• Столбец таблицы задаёт атрибут, строка — кортеж.
• Кортеж фиксирует сведения об одном объекте или факте.
• Связанные отношения позволяют объединять сведения из разных таблиц.
• Факты хранятся в базе знаний, а правила помогают получать новые заключения.
• Ответ экспертной системы может быть результатом обработки и сопоставления исходных сведений.