Методика преподавания технологии экспертных систем с использованием оболочки Exsys corvid

МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБОЛОЧКИ ЕХ8У8 СОЯУГО

Д.И. Муромцев

В статье приводится методика и краткое описание реализации экспертных систем на базе оболочки ЕхБуБ СОКУГО. Предлагается схема использования данного инструментария в рамках практических занятий по дисциплине «Экспертные системы».

Введение

Эффективность преподавания технологии экспертных систем в значительной степени зависит от практической апробации студентами полученных теоретических навыков. Чаще всего лабораторные занятия сводятся к изучению основ языка Пролог и разработке простейших Пролог-программ. Иногда спектр изучаемых инструментальных средств расширяется языком ЛИСП. Но, учитывая, что, как правило, на данную дисциплину отводится один семестр, понимание студентами принципов и назначения экспертных систем остается недостаточным. Язык Пролог, безусловно, нужен для изучения основ логического программирования, но его логичнее преподавать в рамках специализированного курса для близких к искусственному интеллекту специальностей. То же самое касается и языка ЛИСП. Для общего курса дисциплины, не ориентированной на специалистов в области систем искусственного интеллекта, более эффективным решением является использование оболочек экспертных систем в качестве практической составляющей. На рынке представлено достаточно много подобных инструментальных средств.

Одним из лидеров является система ЕХБУБ СОКУГО. Отличительной особенностью данной системы является ориентированность на университеты, наличие специальных академических программ. Начиная с 1985 года, данная система используется в учебных лабораториях сотен университетов различных стран, включая США, страны Западной и Восточной Европы, Азии, Латинской Америки, Прибалтики и пр. Вместе с тем, ЕХБУБ не является исключительно учебной системой: по данным разработчика системы, из 100 наиболее преуспевающих компаний более 50% используют ЕХБУБ. Ею также пользуются многие правительственные, военные структуры и тысячи предприятий по всему миру.

Методология и средства ЕХ8У8 СОЯУГО

В системе ЕХБУБ СОКУГО представлен набор эффективных средств, реализующих отдельные этапы создания экспертных систем и методологии представления знаний. Основным инструментарием в ЕхБуБ является традиционная подсистема продукционных правил. Данная подсистема реализует классическую и наиболее распространенную форму представления знаний в виде правил «Ш.. ТИЕК.. ». Система предоставляет развитый интерфейс для наполнения базы знаний продукциями на основе естественно-языковых структур. Реализована поддержка наиболее распространенных моделей представления нечетких знаний с возможностью их расширения.

Альтернативный подход заключается в представлении знаний в виде иерархически организованных объектно-ориентированных структур. Данный подход весьма эффективен при программировании, но зачастую он с трудом вписывается в процесс принятия решений человеком. Однако большинство проблем, не вписывающихся в объектно-ориентированную методологию, с успехом могут быть решены с использованием объектно-структурированных компонент. Различие между чистым объектно-

ориентированным программированием и структурированным объектно-ориентированным программированием лежит в основе популярности языка Microsoft's Visual Basic (VB). VB не является чистым объектно-ориентированным языком, хотя и обладает многими объектно-ориентированными свойствами. Это упрощение позволяет зачастую эффективно использовать VB вместо комбинации нескольких других языков. CORVID основан на аналогичной VB модели. Данная система предоставляет объектно-ориентированные структуры, позволяющие эффективно разрабатывать экспертные системы на основе методов и атрибутов переменных (Variables), в то же время не требуя от разработчика изменять привычный подход описания процесса принятия решений в виде структур «Если ... То ... ». В результате процесс разработки становится более гибким и мощным в сравнении с традиционными методами. Отличительной особенностью подхода является простота его изучения. В CORVID включены 7 типов переменных, предоставляющих широкий набор функций. Приобретение данных и знаний на основе сбора переменных (Collection Variable) обогащается за счет повторного использования и отрывает ряд новых возможностей. Изменение методов и атрибутов переменных позволяет использовать их для выработки новых путей решений проблем, получения и представления результатов.

В EXSYS CORVID предлагается новая концепция управления логикой принятия решений - логические блоки (Logic Blocks). В ранних версиях системы использовались одиночные Если/То правила и логические диаграммы в виде деревьев. Однако во многих системах для описания решений отдельных шагов требуются множества деревьев и правил, что усложняет структуры базы знаний. Логические блоки является организованным множеством правил и деревьев, ориентированных на реализацию определенной функции и предоставляющих новые возможности по сравнению однородной базой знаний в виде правил. Таким образом, база знаний может быть организована в виде блоков так же, как организуются объекты в объектно-ориентированных системах. Активизация логических блоков может быть основана как на прямом или обратном выводе, так и на их комбинации. Логические блоки могут быть ассоциированы с внешними источниками данных (табличными файлами данных), позволяющими последовательно применять функции блока к каждому набору данных (строке таблицы). Таким образом, становится возможной разработка обобщенной (generic) системы, что актуально для задач выбора с частым изменением параметров.

Следует отметить развитые средства разработчика логических блоков, реализованные в EXSYS CORVID. К ним относятся, в частности, средства визуальной разработки.

Новаторским решением CORVID является реализация интерфейса пользователя на основе интерактивных динамических Web-страниц. Интерфейс пользователя может включать, наряду с текстовой информацией, изображения в формате JPG или GIF. Одной из функций системы является распространение готовой экспертной системы в виде компактных (~100k) Java-апплетов, что позволяет включить систему как компонент в существующие Web-сайты. Система CORVID предлагает средства доступа к CGI, ASP и JSP страницам для выполнения вычислений на стороне сервера.

Альтернативой распространению готовых систем с использованием Web-страниц и Java-апплетов является метод на базе Servlet Runtime, позволяющий полностью исполнять систему на стороне сервера. Взаимодействие с пользователем в этом случае осуществляется через HTML формы.

Одна и та же система может распространяться в виде апплетов, сервлетов или отдельного приложения. Использование современных сетевых технологий, активно применяющихся в Интернет при решении целого ряда задач, открыло новые области применения и возможности для использования экспертных систем за счет высокой степени интерактивности, простоты доступа пользователей к системе и колоссального охвата аудитории.

Методика проведения практических занятий

Практические занятия с использованием оболочки экспертных систем EXSYS CORVID позволяют сконцентрировать внимание студентов на основных и наиболее важных аспектах: инженерия знаний, проектирование структуры базы знаний, конфигурирование подсистемы логического вывода.

Весь объем практических занятий предлагается разбить на следующие группы лабораторных работ.

1. Практикум в системе EXSYS CORVID, включающий 6 лабораторных работ. Основная цель данного этапа - приобретение студентами навыков работы с системой на простейших примерах. Следуя методическим указаниям, студенты учатся наполнять базу знаний, управлять процессом логического вывода и генерации интерфейса пользователя.

2. Постановка задачи на разработку учебной экспертной системы. Студент формулирует задачу для экспертной системы в близкой ему предметной области. Определяются эксперт, с которым будет работать студент, и способ тестирования адекватности знаний системы. Предполагается, что на этом этапе студенты работают в группах по 2-3 человека. Один из студентов играет роль эксперта, другие - роль инженеров по знаниям. Возможно смена ролей для овладения всеми студентами навыков инженерии знаний.

3. Инженерия знаний и разработка учебной экспертной системы в заданной предметной области. Используя возможности системы EXSYS CORVID, студенты последовательно проходят этапы прототипирования экспертной системы. Это - основной объем работы, и ему следует отвести большую часть часов, выделенных для практических занятий. Работая в группах, студенты разрабатывают собственные экспертные системы. Результатом этого этапа должна быть работоспособная и непротиворечивая база знаний в объем 50-100 правил. Тестирование системы осуществляется посредством выбранных на предыдущем этапе критериев.

Использование EXSYS CORVID в качестве основного инструментария в учебных лабораториях позволяет значительно ускорить изучение основных аспектов технологии экспертных систем за счет развитых средств разработчика, реализованных в данной системе.

Заключение

Необходимость использования современных инструментальных средств в учебном процессе очевидна: от полученных студентом практических навыков зависит успех его дальнейшей профессиональной деятельности. В случае с дисциплиной «Экспертные системы» в большинстве ВУЗов имеется явный пробел - обеспечение дисциплины фактически соответствует уровню 70-х годов, а ее содержание сводится к изучению теоретических основ. В то же время описанная в статье система не только является передовой, но и позволяет совместить изучение основ технологии экспертных систем с современными средствами сетевой разработки приложений, интеграции средств анализа данных в Web-приложения и т.п. Таким образом, формируется четкая практическая направленность данной дисциплины на базе новейших технологий, что восполняет указанный выше пробел.

Источники и литература

1. Официальный сайт разработчика системы EXSYS CORVID www.exsys.com

2. Building Knowledge Automation Expert Systems with Exsys CORVID. Elias M. Avard, University of Virginia 2003.