Иллюстрированный самоучитель по введению в экспертные системы

Принципы организации систем с доской объявлений

В последние годы в разработке архитектуры экспертных систем появилось новое направление, которое получило название системы с доской объявлений (blackboard sys-tems). Системы с такой архитектурой могут эмулировать режим построения как прямой цепочки логического вывода, так и обратной, а также попеременно применять эти режимы в процессе работы. Кроме того, применение систем с доской объявлений побуждает инженеров по знаниям к иерархической организации и знаний относительно предметной области, и пространства частичных и полных решений.

Таким образом, эта архитектура очень хорошо подходит для решения задач проектирования, для которых характерно большое, но факторизуемое многомерное пространство решений. Системы с подобной архитектурой уже успешно применяются для интерпретации данных (например, распознавания графических изображений и речи), анализа и синтеза многокомпонентных структур (например, структуры протеинов) и планирования.

Но следует отметить, что реализация и внедрение систем с доской объявления – довольно сложный процесс, а сами системы требуют значительных вычислительных ресурсов. В этой главе будут рассмотрены следующие вопросы:

• структура систем с доской объявлений;
• анализ существующих на сегодняшний день систем этого типа и областей их применения;
• обсуждение проблем реализации систем с доской объявлений и их эффективности.

Будет показано, что в системах с доской объявлений применяется комбинация нескольких схем представления знаний, которые мы рассматривали в предыдущих главах, но при этом между отдельными схемами существует значительно более тесная связь, чем в многофункциональных инструментальных средах, о которых упоминалось в главе 17.

В основу организации систем этого типа положена следующая идея [Corkill, 1991].

• Представьте себе группу экспертов, которые сидят возле классной доски (или большой доски объявлений) и пытаются решить какую-либо проблему.
• Каждый эксперт является специалистом в какой-то определенной области, имеющей отношение к решению проблемы.
• Формулировка проблемы и исходные данные записаны на доске.
• Эксперты пытливо вглядываются в то, что написано на доске, и каждый из них думает над тем, чем он может помочь в решении проблемы.
• Если кто-либо из экспертов чувствует, что ему есть что сказать по этому поводу, он выполняет соответствующие вычисления и записывает результат все на той же доске.
• Этот новый результат может позволить и другим экспертам внести определенный вклад в решение проблемы.
• Процесс прекращается (а эксперты расходятся по домам), когда проблема будет решена.

Такая методика совместного решения проблем будет эффективна, если соблюдаются определенные соглашения, а именно:

• все эксперты должны говорить на одном и том же языке, хотя при записи результатов на доске могут использоваться и разные схемы обозначений;
• должен существовать какой-то протокол определения очередности "выступлений", который вступает в силу в ситуации, когда сразу несколько экспертов хватаются за мел и направляются к доске.

Эти соглашения есть не что иное, как уже знакомые нам по предыдущим главам схемы представления управления.

Если рассматривать работающую по такому принципу систему с точки зрения организации процесса вычислений, то в системе можно выделить следующие структурные компоненты. Знания о предметной области разделены между независимыми источниками знаний (KS – knowledge sources), которые работают под управлением планировщика (scheduler). Решение формируется в некоторой глобально доступной структуре, которую мы будем называть доской объявлений (blackboard). Таким образом, в этой системе все знания "как поступить" будут представлены не в виде единственного набора правил, а в виде набора программ. Каждый из компонентов этого набора может располагать собственным набором правил либо смесью правил и процедур.

Функции доски объявлений во многом сходны с функциями рабочей памяти в продукционных системах, но ее организационная структура значительно сложнее. Как правило, доска объявлений разделяется на несколько уровней описания, причем каждый уровень соответствует определенной степени детализации. Данные в пределах отдельных уровней доски объявлений представляют иерархии объектов или графы, т.е. структуры более сложные, чем векторы, которые использовались в рабочей памяти продукционных систем. В самых современных системах может быть даже несколько досок объявлений.

Источники знаний формируют объекты на доске объявлений, но это выполняется посредством планировщика. Обычно записи активизации источников знаний (knowledge source activation records) помещаются в специальный список выбора (agenda), откуда их извлекает планировщик. Источники знаний общаются между собой только через доску объявлений и не могут непосредственно передавать данные друг другу или запускать выполнение каких-либо процедур. Здесь есть определенная аналогия с организацией работы продукционных систем, в которых правила также не могут непосредственно активизировать друг друга: все должно проходить через рабочую память.

В этой главе будет представлен обзор становления архитектуры систем с доской объявлений и рассказано о том, как в настоящее время эта модель используется в качестве базовой при создании инструментальных систем общего назначения для проектирования экспертных систем. Принципы работы модели будут проиллюстрированы примерами, но основное внимание мы сосредоточим на общей архитектуре систем такого типа, а не на детальном описании отдельных моделей. В заключительном разделе будет рассказано о попытках повысить производительность системы с помощью методов параллельного поиска.