Интеллектуальные системы управления Лекция 2 Тема

«Интеллектуальные системы управления» Лекция № 2 Тема: «Типология и работа со знаниями» Учебные вопросы и распределение времени: Вступление. . . . . . 5 мин. 1. Обобщенная типология знаний…………. . . . . 30 мин. 2. Виды работ со знаниями. . . . 40 мин. Выводы и ответы на вопросы. . . . 5 мин.

«Интеллектуальные системы управления» Учебная литература: 1. Золотов В. В. , Фрейдзон И. Р. Управляющие комплексы сложных корабельных систем. -Л. : Судостроение, 1986. -232 с. 2. В. Б. Кудрявцев. Введение в теорию интеллектуальных систем: Учеб. пособие/Макс. Пресс – М. , 2006. – 210 с. 3. Л. С. Болотова. Системы искусственного интеллекта. Теоретические основы и формальные модели представления знаний: Учеб. пособие/ МИРЭА. – М. , 2001. – 78 с. 4. Гаврилова Т. А. , Хорошевский В. Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. – СПб: Питер, 2001. – 384 с. 5. П. Джексон. Введение в экспертные системы. - М. : Изд-во Вильямс, 2001. - 624 с.

ОБОБЩЕННАЯ ТИПОЛОГИЯ ЗНАНИЙ Знания, как информационно - смысловое понятие, могут быть классифицированы по таким признакам, как глубина, степень определенности, этимология (источник происхождения). Степень отображения сущностных (глубинных) аспектов объекта знания Поверхностные знания Глубинные знания Поверхностные знания основаны на частных результатах или опытах, они свидетельствуют о видимых (лежащих на поверхности) взаимосвязях между сущностями предметной области. Они не обязательно подтверждаются строгой теорией и, как правило, носят субъективный характер Глубинные знания основаны на общепризнанной теории и строгой аксиоматике, отображающих структуру и природу сущностей ПО и закономерности их связей. Как правило, глубинные знания носят характер абстракций, аналогий, схем и обобщений, фундаментальных законов и объективных закономерностей. Они более устойчивы, чем поверхностные.

ОБОБЩЕННАЯ ТИПОЛОГИЯ ЗНАНИЙ Степень определенности знаний «Жесткие» (определенные) «Мягкие» (расплывчатые) Определенные знания дают однозначные ответы на вопросы, которые могут возникнуть по поводу свойств сущностей ПО и характера отношений между ними. Расплывчатые знания на эти же вопросы дают, как правило, вариантные или неопределенные ответы.

ОБОБЩЕННАЯ ТИПОЛОГИЯ ЗНАНИЙ По этимологии (источнику происхождения) концептуальные экспертные Концептуальные знания выражают свойства сущностей ПО и отношения между ними через описания базовых понятий конкретной ПО. Такие описания должны отражать понятийную часть каждого базового понятия (описание его структуры и описание структур или свойств его компонент), а также операционную часть - зависимость между компонентами базового понятия. Экспертные знания основаны на знаниях высококвалифицированного специалиста в конкретной предметной области, они часто носят характер оригинальных и субъективных.

ОБОБЩЕННАЯ ТИПОЛОГИЯ ЗНАНИЙ Существенным признаком различия знаний, является основание (побудительный мотив) к возникновению или генерации новых знаний. По побудительному мотиву Знания, возникающие на основе ассоциаций или аналогий с уже известными знаниями (примерами) Знания, возникающие на основе применения каких-то правил преобразования или применения уже известных знаний.

ОБОБЩЕННАЯ ТИПОЛОГИЯ ЗНАНИЙ С развитием концепции баз знаний появилась потребность в новой профессии - инженер по знаниям. Эта профессия в аспекте процесса проектирования и особенно создания ИС является ключевой. Часто в отечественной литературе, посвященной вопросам создания баз знаний ИС, вместо термина «инженер по знаниям» используется термин «инженеркогнитолог» или просто «когнитолог» . С английского языка cognition переводится как «знание, познание» . Главным качествами когнитоолога являются высокая и разносторонняя образованность в конкретной предметной области, способность к аналитической деятельности, умение рационально мыслить, точно и кратко выражать свои мысли, умение слушать и вести беседу, общительность, умение расположить к себе собеседника, обладание развитыми навыками психолога.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Различают три принципиально различных вида работ со знаниями Извлечение знаний Приобретение знаний Формирование знаний Извлечение знаний. Этим термином принято называть процесс взаимодействия когнитолога с источником знаний - экспертом или базами данных и базами знаний, реализованными в виде книг или иных носителей информации. В результате этого процесса становятся явными ход рассуждений специалиста, раскрывающий рекомендуемый им вариант решения какой-либо задачи, и структура его представлений о предметной области.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Методы извлечения знаний Коммуникативные Активные методы Групповые Текстологические Пассивные методы Индивидуальные Коммуникативные методы ориентированы на общение когнитолога с экспертами, а текстологические - на работу с текстами или иными носителями информации и знаний. Активные методы предполагают высокую активность когнитолога, который умело поставленными вопросами и иными действиями способствует взаимопониманию с экспертом и обеспечивает эффективное решение главной задачи - получение полных и точных ответов на поставленные вопросы.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Реализуя активную коммуникацию, когнитолог может избрать групповой или индивидуальный метод работы с экспертами. Активные методы Групповые Индивидуальные К групповым методам относятся метод «мозгового штурма» , метод «круглого стола» и метод «ролевой игры» . Индивидуальные методы более разнообразны и могут быть реализованы в виде анкетирования, интервьюирования, диалога, экспертной игры и пр.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Пассивные методы предполагают ситуацию, при которой ведущая роль в процессе извлечения знаний отводится эксперту, а когнитолог только регистрирует рассуждения эксперта. При пассивном извлечении знаний когнитологу не доступна реакция источника знаний на его действия или вопросы - здесь его возможности ограничены такими методами, как наблюдение, протоколирование высказанных вслух мыслей и конспектирование выступлений или лекций.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Методы извлечения знаний Коммуникативные Текстологические К текстологическим методам относятся анализ учебной литературы, анализ научной литературы, анализ документов и источников, выпускаемых средствами массовой информации.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Приобретение знаний. Этот вид работы со знаниями представляет собой процесс взаимодействия эксперта с программной системой (ПС), входящей в состав БЗ. ПС автоматически или полуавтоматически выполняет процедуры сбора, интерпретации, систематизации, сортировки, форматирования и других видов обработки знаний, источником которых является эксперт. Процесс этот интерактивный, поскольку он связан не только с вводом знаний в БЗ, но и с их уточнением и расширением. Главное свойство таких программных систем заключается в том, что они осуществляют фактически некоторую предварительную структуризацию знаний.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Формально такую предварительную структуризацию знаний о свойствах сущностей ПО и отношениях между ними иногда называют концептуальной моделью ПО или полем знаний. Эта модель в терминах теории множеств может быть задана кортежем К - конечным (счетным) множеством, состоящим из трех конечных множеств X, Y, M: К={Х, У, М}, символом X обозначено множество структур исходных знаний, вводимых в БЗ экспертом, символом Y - множество структур знаний, являющихся результатом интерактивного процесса интерпретации и обработки соответствующих структур знаний исходного множества X, а символом M - множество операционных процедур, с помощью которых структуры знаний множества X преобразуются в структуры знаний множества Y.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Множество М иногда принято называть операционной моделью ПО. На основании операционной модели ПО содержание каждой структуры множества Х превращается в соответствующую структуру множества Y. В свою очередь, операционная модель ПО (множество М) может быть представлена объединением множеств Z и G: М={Z, G}, где множество G - это структурированное описание ПО с ее сущностями, их свойствами и отношениями между сущностями, а Z - множество знаний эксперта, совокупность которых позволяет обобщить (объединить) некоторые сущности ПО по их специфическим признакам в концепты, устанавливающие отношения между этими сущностями.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ По степени структурированности описание ПО (то есть знания о ней) может быть сильно, средне или слабо структурированным. Степень структурированности описания ПО Сильная Средняя Четкая аксиоматика Явные взаимосвязи Развитый математический аппарат Недостаточно Развиты теоретические основы Устоявшаяся терминология Логичная классификация понятий Не установившаяся понятийнотерминологическая компонента Слабая Предположения и гипотезы Определения и понятия не устоявшиеся

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ В операционных моделях (М) различных ПО соотношение объективной (G) и субъективной (Z) компонент может быть различным. Модели ПО производственно-технической направленности, развивающиеся в течение длительного времени, характеризуются значительным превосходством объективной компоненты знаний над мнением отдельного эксперта. В то же время, в операционных моделях ПО гуманитарной направленности (например, в психологии, философии, истории, юриспруденции и пр. ) очень часто больший вес имеют субъективные знания экспертов.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Структурирование знаний - процесс весьма содержательный и ответственный. На основании практического опыта создания баз знаний различной направленности он может быть представлен следующими шестью этапами. Этап 1 - постановочный - состоит в определении направленности структурного преобразования и систематизации знаний, представленных экспертом (множество Х), в состояние, характеризуемое множеством структур Y. На этом этапе когнитолог обязан качественно или количественно оценить, в какой мере намеченное преобразование будет соответствовать классу задач, которые предстоит решать с применением создаваемой ИС. Этап 2 - создание терминологической основы структурируемой базы знаний. На этом этапе осуществляется смысловой и текстуальный анализ всех намечаемых сеансов получения знаний от эксперта. Результатом этапа является составление словаря (D) терминов (значимых слов и словосочетаний), обозначающих понятия, явления, процессы, признаки и т. п. в описаниях целей и процедур запланированных сеансов извлечения знаний. Такой словарь должен быть хорошо продуман и не допускать многозначности или неопределенности терминов.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Этап 3 - выявление ассоциативных связей между понятиями и оформление этих связей в виде сети ассоциаций. На этом этапе происходит установление только факта наличия ассоциативной связи между понятиями, но смысловой характер связи и даже ее содержательное определение остаются не установленными. Сеть ассоциативных связей может иметь вид неориентированного или слабо ориентированного графа.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Этап 4 - построение модели иерархической структуры понятий. Ассоциативные связи, установленные на предыдущем этапе, позволяют когнитологу построить модель иерархии понятий - то есть определить, какие из них характеризуются наибольшим числом ассоциаций с другими, и таким образом выделить разные уровни «ассоциативной активности» понятий. Анализ этой модели позволит уточнить иерархию понятий и выявить метапонятия (базовые понятия), через которые могут быть определены другие понятия. Построение иерархической структуры понятий предметной области (иногда ее называют деревом понятий) способствует углубленному пониманию уровней абстракции понятий и существенным образом материализует (конкретизирует смысловые аспекты) ассоциативные связи между ними. В результате образуется как бы пирамида знаний, структура (число уровней иерархии и общее число понятий) которой зависит как от природы ПО, так и от профессионализма эксперта и когнитолога.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Этап 5 - определение отношений между понятиями построенной пирамиды знаний. Выявление характера, а также количественных или иных метрик отношений между понятиями должно быть выполнено как в пределах одного уровня иерархии, так и в межуровневом аспекте. На этом этапе происходит канонизация названий всех выявленных на предыдущих этапах ассоциативных связей между понятиями, и формулируются предикаты бинарных отношений (парадигматических, синтагматических, причинноследственных, лингвистических и пр. ) между ними. Этап 6 - определение операционной модели ПО, то есть множества М. Напомним, что это множество представляет собой набор цепочек логических рассуждений и правил, на основании которых все понятия и отношения между ними в сформированной концептуальной модели К будут связаны в единую динамичную систему знаний. Именно эти цепочки (последовательности) рассуждений и правил придают знаниям динамичность и активность в процессе преобразования на пути перехода от множества Х к множеству Y.

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ В результате реализации приведенной последовательности концептуальная модель (поле знаний) ПО будет включать: этапов - терминологию понятий; - перечень понятий и их атрибутов (свойств и отношений между понятиями), - систему иерархии понятий, - описания исходных знаний, - описания структурированных и систематизированных знаний и набор решающих правил, обеспечивающих необходимые преобразования исходных знаний. Существуют различные системы интерактивного приобретения знаний (ИПЗ). Системы ИПЗ По области применения По методам и способам По характеру приобретения знаний приобретаемых знаний

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Системы интерактивного приобретения знаний По области применения ИПЗ для решения задач анализа знаний ИПЗ для решения задач синтеза знаний ИПЗ для решения комбинированных задач По методам и способам приобретения знаний Системы ИПЗ, использующие ориентированные метод на работу только на работу одним на работу с интервьюирования с когнитологом экспертом группой экспертов эксперта

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Системы интерактивного приобретения знаний По характеру приобретаемых знаний ИПЗ для решения задач анализа знаний Системы ИПЗ для приобретения стратегических (комплексных, фундаментальных, системных) знаний Системы ИПЗ для приобретения тактических знаний (правил, понятий, отношений, связей и т. п. ).

ВИДЫ РАБОТ СО ЗНАНИЯМИ Формирование знаний. Эффективность процесса приобретения знаний, ориентированного на работу с источниками знаний (ИЗ), существенно зависит от особенностей каждого ИЗ. Если ИЗ - эксперт, то имеют значение его психофизические качества и профессиональная концепция в данной предметной области. Многое зависит от того, как происходит формирование поля знаний каждого ИЗ, участвующего в создании БЗ. То есть эксперт принимает непосредственное участие в построении субъективного семантического пространства (СП). Под субъективным семантическим пространством ИЗ понимается структурированная система признаков, используемая экспертом для представления (описания) предметной области.

ОБОБЩЕННАЯ ТИПОЛОГИЯ ЗНАНИЙ Семантическое пространство Построение объективного СП включает методы статистического анализа (регрессионного, факторного, кластерного анализа, многомерного шкалирования и пр. ). Построение объективного СП позволяет сгруппировать отдельные признаки (свойства) сущностей ПО и отношения между ними в более емкие категории (правила, аксиомы, классификации, закономерности, законы) и факторы. Построение объективного СП позволяет сформировать концептуальные категории (концепты) более высоких уровней абстракции.

ОБОБЩЕННАЯ ТИПОЛОГИЯ ЗНАНИЙ Семантическое пространство Построение объективного СП для группы ИЗ, если таковыми являются эксперты, обычно содержит три последовательных шага. Шаг первый - выбор и применение метода оценки семантического сходства понятий. Этот шаг предполагает проведение эксперимента, в котором каждому эксперту предлагается оценить общность предъявленных понятий по некой условной шкале. Шаг второй - на основе полученной на первом шаге матрицы сходства определяется структура СП для всей группы экспертов. При этом за счет обобщения сходных по смыслу понятий в один класс происходит, как правило, уменьшение числа используемых понятий. Шаг третий - интерпретация обобщенных понятий, выделенных на втором шаге. Она заключается в выборе (назначении) смысловых эквивалентов (имен или идентификаторов) для обобщенных понятий. Эффективность этой процедуры зависит от таланта, эрудиции и лингвистического чутья экспертов и когнитолога.