Области применения методов конструктивного решения проблем
В конце главы 11 отмечалось, что отличительной чертой методов решения проблем конструирования является формирование решения из более примитивных компонентов. Этим методы решения задач конструирования отличаются от методов, применяемых для задач классификации, когда решение выбирается из некоторого фиксированного множества. В следующих двух главах будут описаны методы искусственного интеллекта, которые можно использовать для решения проблем конструирования, и на примерах, взятых из различных источников, продемонстрировано, как эти методы реализуются на практике.
Когда речь идет о решении некоторой проблемы конструирования, предполагается, что имеется пространство элементов решения, из которого можно выбирать, и имеются правила, которые помогают комбинировать выбранные элементы. Самым простым примером является задача, которую приходится решать чуть ли не ежедневно, – как одеться, чтобы не выглядеть в родной конторе пугалом. Существуют писаные и неписаные правила, в чем прилично являться на работу, а что рассматривается как пренебрежение мнением окружающих (и руководства). Итак, задача состоит в том, чтобы, во-первых, не выглядеть пугалом, а во-вторых, не вносить диссонанс в рабочую обстановку слишком вызывающим внешним видом. Даже в том случае, если отсутствуют четко сформулированные правила, вряд ли кто-нибудь посчитает совместимым костюм-тройку и кроссовки.
Можно рассматривать задачу решения проблемы конструирования и в терминах ограничений – сформировать такое решение, которое удовлетворило бы некоторым общим требованиям к качеству и при этом не противоречило бы ни одному из специальных правил, отвергающих определенные элементы решения или их комбинации.
Методы конструктивного решения проблем применяются в экспертных системах, которые используются для планирования, проектирования и некоторых видов диагностирования.
- В системах планирования элементами решения являются некоторые операции, а решения – это последовательности операций, которые приводят к намеченной цели. Ограничения чаще всего связаны с естественными отношениями объектов в пространстве и времени, например два объекта не могут занимать одно и то же пространство в одно и то же время, один и тот же человек не может выполнять одновременно два вида работ и т.п.
- В задачах конструирования элементами решения являются компоненты, а решения – суть комбинации этих компонентов, которые образуют сложный объект, удовлетворяющий определенным физическим ограничениям, вытекающим из свойств материалов компонентов, или определенным эстетическим соображениям.
- При диагностировании множественных неисправностей элементами решения являются отдельные неисправности, а решением – множество неисправностей, которое "экономно накрывает" все наблюдаемые симптомы неправильного функционирования объекта. Таким образом, одним из ограничений может служить стремление так сформировать множество возможных неисправностей, чтобы в нем исключался многократный учет одних и тех же симптомов.
В каждом из этих случаев невозможно заранее сформировать множество решений. Существует слишком много вариантов комбинаций отдельных операций, или компонентов сложной конструкции, или совместимых неисправностей. Более того, операции могут взаимодействовать друг с другом, компоненты конкурировать за пространство или возможность подключения друг к другу, а отдельные неполадки переплетаться самым причудливым образом, учитывая возможные причинные связи между ними.
Относительно простые случаи каждой из перечисленных задач вполне могут решаться методами классификации. Например, в главе 10 мы рассматривали систему ONCOCIN, которая формировала план лечения онкобольных, выбирая из библиотеки заготовки возможных вариантов. Выбранный вариант нуждался в дальнейшем только в конкретизации дозировок и расписания приема препаратов. Более сложные проблемы таким способом решить не удается, поскольку объем библиотеки заготовок пришлось бы сделать слишком большим. Для таких случаев единственно возможным становится конструктивный подход, который позволяет более гибко строить и модифицировать набор примитивных операций в формируемом плане действий.
В главе 2 уже отмечалось, что стремление решить задачу планирования "в лоб" выбором из пространства возможных решений неизбежно наталкивается на проблему экспоненциального взрыва при усложнении задачи и соответствующем расширении пространства решений. Это не является серьезным препятствием в том случае, когда существует довольно много удовлетворительных решений задачи и мы не слишком озабочены их качеством. Тогда и ненаправленный поиск позволяет за разумное время найти приемлемое решение. Но если желательно отыскать оптимальное или близкое к оптимальному решение, ненаправленный поиск даже при использовании чрезвычайно мощного компьютера чаще всего оказывается обреченным на неудачу. Для эффективного решения таких задач требуются знания о том, как ограничить "обследуемое" пространство решений и сфокусировать поиск именно на тех его элементах, которые образуют искомый результат.
В следующем разделе мы рассмотрим один из вариантов конструктивного метода, который получил название Match. Этот вариант дает хорошие результаты в тех случаях, когда имеющихся знаний о предметной области достаточно для того, чтобы на любой стадии вычислений определить верное направление дальнейших действий. Тогда появляется возможность использовать для решения проблем методику "предложи и попробуй", в которой основной упор сделан на выборе правильного оператора расширения частичного решения. В главе 15 будет показано, что этот метод не является универсальным, пригодным для решения любых конструктивных проблем, но в тех случаях, когда его можно применять, результаты оказываются намного лучше, чем при использовании выбора из библиотеки частичных решений.