Systemy ekspertowe

dr in.Marcin Blachnik

marcin.blachnik@polsl.pl

http://mblachnik.pl

mailto:marcin.blachnik@polsl.pl

Literatura A. Niederliski Reguowo - modelowe systemy

ekspertowe rmse, Wyd. SKALMIERSKI

P. Cichosz, Systemy uczce si, WNT, W-wa , 2000

B. Stefanowicz Systemy eksperckie Przewodnik Wydanie III rozszerzone, Wyd. WSISiZ

S. Osowski, Sieci neuronowe w ujciu algorytmicznym, WNT, 1996

L. Rutkowski, Metody i techniki sztucznej inteligencji, PWN, 2006

A. Piegat Modelowanie i sterowanie rozmyte, Wyd. EXIT

T. Wieczorek, Neuronowe modelowanie procesw technologicznych, Wyd. Politechniki l. 2008

O czy bdzie mowa Klasyczne systemy ekspertowe

Wstp do metod inteligencji obliczeniowej

Logika matematyczna

Budowa systemw reguowych

Systemy automatycznego wyodrbniania regu Bezporednie wyodrbnianie regu CN2/

Algorytmy drzew decyzji C&RT/C4.5

Systemy regu rozmytych Logika rozmyta

Rozmyte systemy reguowe

Systemy Mamdaniego

Systemy Takagi-Sugeno

Automatyczne wyodrbnianie regu rozmytych Algorytm ANFIS

Inteligencja obliczeniowa

Inteligencja

Wadysaw Kopaliki, Sownik wyrazw obcych i zwrotw obcojzycznych

inteligencja psych. zdolno rozumienia, kojarzenia; pojtno, bystro; zdolno znajdowania waciwych, celowych reakcji na nowe zadania i warunki ycia, sprawnego zdobywania i wykorzystywania wiedzy.

Inteligencja obliczenoiwa Co to takiego?

Computational Intelligence (CI) / Artificial intelligence (AI)

Ile ksiek tyle definicji co to AI

John McCarthy w 1956 zdefiniowa AI jako nauka i inynieria robienia inteligentnych maszyn

Inteligentna maszyna to system ktry analizuje swoje rodowisko i podejmuje dziaanie ktre maksymalizuje prawdopodobiestwo odniesienia sukcesu w tym rodowisku

Lub po prostu:

Rozwizywanie problemw nie algorytmizowalnych lub trudno algorytmizowalnych

http://en.wikipedia.org/wiki/John_McCarthy_%28computer_scientist%29

Inteligencja obliczenoiwa Co to takiego? cd.

Sztuczna inteligencja cz informatyki w jej skad wchodz:

Struktury danych uywane do reprezentacji wiedzy

Algorytmy wykorzystujce zebran wiedz (w postaci powyszych struktu)

Jzyk i techniki programowania wykorzystywane do implementacji powyszych

Obecnie coraz czciej mwi si o inteligencji obliczeniowej zamiast o sztucznej inteligencji, lub te traktuje sztuczn inteligencj jako podzbir inteligencji obliczeniowej.

Inteligencja obliczeniowa a sztuczna inteligencja

Inteligencja

obliczeniowa

Sieci

neuronowe

Logika

rozmyta

Algorytmy

genetyczne

Metody

statystyczne

Optymalizacj

a i badania

operacyjne

Rachunek

prawdopodo

biestwa

Rozpoznawa

nie wzorcwUczenie

maszynowe

Systemy

ekspertowe

Drenie

danych

Wizualizacja

Ciekawostki

AI a etyka:

Jeeli zbudujemy inteligentn maszyn, czy bdzie ona miaa zdolno do odczuwania?

Jeli tak, to czy majc zdolno odczuwania bdzie ona miaa takie same prawa jak ludzie?

Problemy Typowe problemy inteligencji obliczeniowej

Znajdowanie rozwiza dla rnych gier (szachy, warcaby, wychodzenie z labiryntw itp.)

Automatyczne wnioskowanie i dowodzenie twierdze

Systemy ekspertowe - budowanie duych baz wiedzy

Przetwarzanie i rozumienie jzyka naturalnego translacja pomidzy jzykami (np. Google tumacz), rozumienie zda, rozpoznawanie mowy (np. Ms. Vista, Opera), chatterboty itp

Modelowanie ludzkich potrzeb chatterboty jako wirtualny pomocnik, systemy autoasocjacyjne, diagnozowanie medyczne

Planowanie i robotyka automatyczne planowanie produkcji, sterowanie robotem itp.

Konstruowanie jzyka i rodowiska do przetwarzania wiedzy (prolog, lisp)

Rozpoznawanie i analiza obrazw itp.

Podejcia do rozwizywania

problemw sztucznej inteligencji

Neurologia budowa mzgu

Psychologia poznawcza i kognitywistyka jak ucz si ludzie i jak reprezentuj wiedz systemy rozmyte, systemy bazujce na prototypach

Biologia algorytmy genetyczne, algorytmy ewolucyjne, algorytmy mrwkowe

Inynieria alg. Symulowanego wyarzania

Statystyka teorie probabilistyczne, posybilistyczne itp.

Systemy ekspertowe

Ekspert 1. Specjalista powoywany do wydania

orzeczenia lub opinii w sprawach spornych

2. Osoba uznawana za autorytet w jakiej dziedzinie

3. Ekspert jest czowiekiem, ktry popeni wszystkie moliwe bdy, jakie mog by popenione, w bardzo wskiej specjalizacji. (*)

(*) Niels Henrik David Bohr, fizyk duski, noblista

Ekspert - problemy

Szybko przetwarzania (czowiek jest w stanie przetwarza 7 procesw jednoczenie, przy wikszej liczbie nastpuje serializacja)

Koszty

Moliwoci eksploatacji

Ulotno wiedzy (zwolnienie/choroba/mier)

Niezaleno (brak moliwoci wpywu na decyzj eksperta, problem z natur ludzk)

Co to s systemy ekspertowe

Rozwizanie

Automatyczne systemy wspomagania decyzji = systemy ekspertowe

Systemy ekspertowe

to program lub zestaw programw komputerowych wspomagajcy korzystanie z wiedzy i uatwiajcy podejmowanie decyzji. Systemy ekspertowe mog wspomaga bd zastpowa ludzkich ekspertw w danej dziedzinie, mog dostarcza rad, zalece i diagnoz dotyczcych problemw tej dziedziny.

(*) rdo - wikipedia

Przykady wykorzystania ekspertw / systemw ekspertowych

Przykady:

Banki problem podejmowania decyzji kredytowej

Przemys - sterowanie urzdze (piece)

Usugi serwisy sprztu technicznego - metodologia usuwania awarii

Medycyna automatyczna klasyfikacja chorb

Energetyka sterowanie urzdze, planowanie zuycia energii

Automatyczne gry gra w szachy

Porwnanie ekspert system ekspertowy

Ekspertyza naturalna czowieka

Ekspertyza systemu

Wady

tracca na wartoci z upywem czasu

trudna do przeniesienia

trudna do dokumentacji

nie dajca si przewidzie

kosztowna

Zalety

staa

atwa do przeniesienia

atwa do dokumentacji

zgodna z baz wiedzy

dostpna

Zalety

twrcza

adaptacyjna

wykorzystane zmysw

szeroki zakres

wiedza zdrowego rozsdku

Wady

nie inspirujca

wymaga wprowadzenia wiedzy

wejcia symboliczne

wski zakres

wiedza przetwarzana w sposb mechaniczny

Kategorie systemw ekspertowych Systemy doradcze

doradzaj przy podejmowaniu decyzji. Czowiek ma moliwo weryfikacji podjtej decyzji, odrzucenia jej i zadania alternatywnej. Systemy w ktrych czowiek jest ostatecznym ogniwem podejmowania decyzji.

Systemy podejmujce decyzje bez kontroli czowieka systemy autonomiczne w ktrych maszyna/program podejmuje ostateczn decyzj bez udziau czowieka

Systemy krytykujce znajc problem jak i jego rozwizanie (wynik) system pokazuje jak rozwizanie osignito (metodologi rozwizania)

Budowa systemw ekspertowych

Wikipedia, sysmtemy ekspertowe, http://upload.wikimedia.org/wikipedia/pl/6/6c/System_ekspertowy_2.png

Skadowe systemu ekspertowego Baza wiedzy (np. zbir regu), Baza danych/baza faktw (np. dane o obiekcie,

wyniki pomiarw, hipotezy), Maszyna wnioskujca system podejmujcy

decyzje Mechanizm wyjaniajcy - objaniaj strategi

wnioskowania, Interfejs uytkownika - procedury

wejcia/wyjcia umoliwiaj formuowanie zada przez uytkownika i przekazywanie rozwizania przez program,

Edytor bazy wiedzy - procedury umoliwiajce rozszerzanie oraz modyfikacj wiedzy- pozyskiwanie wiedzy.

Budowa systemw ekspertowych

Maszyna wnioskujca

Baza faktw Baza wiedzy

Najwaniejsze elementy SE

Baza wiedzy

Jest integraln, podstawow i niezbdn czci systemu ekspertowego, zawieraj cakowit wiedz systemu zapisan najczciej w postaci regu. Zebrana wiedza jest podstaw przeprowadzenia procesu wnioskowania.

Najwaniejsze elementy SE

Baza faktw

Jest integraln czci systemu ekspertowego, zawiera zbir informacji (zbir danych) stanowicych wartoci przesanek regu, na podstawie ktrych mechanizm wnioskujcy przeprowadza proces wnioskowania

Najwaniejsze elementy SE

Mechanizm wnioskujcy

Narzdzie potrafice zinterpretowa zapisane reguy i dokona procesu wnioskowania - czyli wykorzystania wiedzy zapisanej w bazie wiedzy i dostpnych faktw pochodzcych z bazy faktw

Podzia systemw ekspertowych ze wzgldu na budow programu

Systemy dedykowane tworzone wsplnie przez inyniera wiedzy, eksperta i informatyka do rozwizywania konkretnych problemw

Systemy szkieletowe (shells) oglne systemy dostpne na rynku w postaci programw z pust baz wiedzy. Wiedza wprowadzana jest do nich bezporednio przez ekspertw.

Podzia systemw ekspertowych ze wzgldu na rdo wiedzy

Na bazie wiedzy eksperta wiedza wydobywana jest na podstawie obserwacji bd wywiadw, ankiet z ekspertem

Na bazie dostpnych danych historycznych majc dostp do zgromadzonych danych czyli wynikw dziaania eksperta w warunkach produkcyjnych, moliwe jest automatyczne pozyskanie wiedzy.

Podzia systemw ekspertowych

Ze wzgldu na sposb reprezentacji wiedzy

Logika boolowska {0,1}

Logika wielowartociowa (np.. ukasiewicza)

Logika rozmyta

Ze wzgldu na rodzaj przetwarzanej informacji

systemy z wiedz pewn, czyli zdeterminowan,

systemy z wiedz niepewn, w przetwarzaniu ktrej wykorzystuje si przede wszystkim aparat probabilistyczny.

Projektowanie systemu ekspertowego

Okrelenie dziedziny problemu

Zdobycie wiedzy

Wybr platformy dla systemu ekspertowego (system shellowy, system dedykowany itp)

Implementacja systemu

Wybr mechanizmw wnioskowania

Implementacja bazy wiedzy i faktw

Implementacja interfejsw uytkownika

Projektowanie systemu ekspertowego

Okrelenie dziedziny problemu

Dokadne zdefiniowanie klasy problemw ktre system ma rozwizywa

Zdefiniowanie wymaga systemu

Okrelenie sposobu pozyskania wiedzy

Projektowanie systemu ekspertowego

Budowa bazy wiedzy

Problem komunikacji inyniera wiedzy i

eksperta! (Zagroenie stanowiska, rnice jzykowe, urata znaczenia itp)

Inynier wiedzy

Dane, problemy, pytania

Wiedza, koncepcje, rozwizania

Wiedza strukturalizowana Ekspert dziedziny

Baza wiedzy

Projektowanie systemu ekspertowego Baza wiedzy Konstrukcja waciwej bazy wiedzy jest podstaw

poprawnego funkcjonowania systemu ekspertowego. Wymaga ona wyboru odpowiednich faktw z dziedziny dziaania systemu, uniknicia bdw i wyboru odpowiedniej struktury dla tych faktw.

Podczas tworzenia bazy wiedzy naley odpowiedzie sobie na nastpujce pytania: Jakie obiekty naley zdefiniowa? Jakie s relacje midzy obiektami? Jak naley formuowa i przetwarza reguy? Czy pod wzgldem rozwizania specyficznego problemu

baza wiedzy jest kompletna i spjna

Konstruowanie bazy wiedzy

Identyfikacja - okrelenie charakterystyki problemu do rozwizania (ekspert i inynier wiedzy okrelaj problem do rozwizania i jego zakres - ponadto okrelaj potrzebne rodki);

Reprezentacja - znalezienie sposobu reprezentacji wiedzy (przeprowadzana jest analiza problemu, bardzo istotne jest przeprowadzenie jej w gruntowny sposb, co niweluje wystpowanie trudnoci w pniejszym czasie. Gdy problem jest ju zrozumiay naley przystpi do ustalenia informacji oraz danych potrzebnych do jego rozwizania a nastpnie zacz je kompletowa);

Konstruowanie bazy wiedzy Formalizacja - zaprojektowanie struktur organizujcych

wiedzy (przeoenie kluczowych koncepcji, regu i relacji na jzyk formalny. Inynier wiedzy powinien zaprojektowa syntaktyk i semantyk tego jzyka, a nastpnie wraz z ekspertem ustali wszystkie podstawowe pojcia i relacje, ktre s niezbdne do rozwizania postawionego problemu);

Implementacja - sformuowanie regu lub ram zawierajcych wiedz (inynier wiedzy czy i reorganizuje sformalizowan wiedz tak, aby staa si zgodna z charakterystyk przepywu informacji danego problemu. Powstay zestaw regu lub ram i powizana z nimi struktura kontrolna tworzy prototypowy program);

Testowanie - sprawdzenie zastosowanych w systemie regu lub ram (reguy i relacje s sprawdzane pod ktem generowania przez nie odpowiedzi zgodnych z wymaganiami eksperta.).

Projektowanie systemu ekspertowego

Baza wiedzy cd.

Pozyskiwanie wiedzy na bazie komunikacji z ekspertem

1. Analiza dziaalnoci eksperta w miejscu pracy, obserwacja wykonywanych dziaa itp. analiza zoonoci problemu

2. Dyskusja problemu uszczegowienie wiedzy, analiza formy reprezentacji wiedzy eksperta.

3. Opisywanie problemu analiza pozyskanej wiedzy, poszukiwanie niespjnoci wiedzy i jej brakw (sposb postpowania dla okrelonych faktw)

Projektowanie systemu ekspertowego

Analizowanie problemu. komunikacja inyniera wiedzy z ekspertem, uszczegawianie znalezionych brakw wiedzy, analiza pracy eksperta, wyjanianie niespjnoci wiedzy

Udoskonalanie systemu komunikacja eksperta z inynierem sprzenie zwrotne majce na celu weryfikacj zaimplementowanej wiedzy, wstpn weryfikacj systemu

Projektowanie systemu ekspertowego

Testowanie systemu testowanie i opiniowanie przez eksperta zbudowanej bazy wiedzy, ocena regu, strategii wyboru regu, prototypowanie systemu itp.

Legalizacja systemu. analiza systemu przez innych ekspertw celem dalszej weryfikacji i uszczelnienia systemu

Formy reprezentacji

wiedzy

Formy reprezentacji wiedzy i

typy regu

Proceduralna

Deklaratywna

Rne typy regu

Reguy klasyczne (twarde)

Reguy rozmyte

Reguy bazujce na wzorcach (bazujce na prototypach)

Budowa regu

Jeeli pogoda jest pochmurna

i

cinienie jest niskie

to

wystpi opady deszczu

Fakty/Przesanka

fakt

zmienna warto

Zmienna warto

Implikacja Poprzednik

Nastpnik

konkluzja

Reguy klasyczne

Podlegaj klasycznej logice dwuwartociowej

Operuje na wartociach {0,1}

Kady operator jak i fakt przyjmuje wartoci prawda/fasz

Przykad

Jeeli temperatura(x) >38 st.C i dreszcze(x) to X ma gryp

Reguy klasyczne - przykad

W postaci klasycznych regu jeeli .. To ..

List regu

Jeeli temperatura 80 to bdzie pada

Drzew decyzji

Reguy rozmyte

Podlegaj logice w ktrej wystpuje nieskoczenie wiele wartoci

Wykorzystuj bardziej naturalny dla ludzi sposb reprezentacji przesanek temperatura wysoka, niskie cinienie

Wynikiem kadej operacji/operatora jest liczba z przedziau [0,1] okrelajca stopie spenienia tej operacji

Przykad:

Jeeli pogoda jest pochmurna i cinienie jest niskie to wystpi opady deszczu

Reguy rozmyte - przykad

W postaci regu rozmytych Jeeli temperatura jest okoo 15st i wilgotno

jest okoo 80 to bdzie pada

Reguy bazujce na prototypach

Posiadaj wszystkie waciwoci regu rozmytych

Przesanki regu rozmytych reprezentuj podobiestwo do obiektw wzorcowych

Naturalna forma reprezentacji wiedzy przez nasze mzgi

Rozwizanie problemu interpretacji zoonych baz wiedzy (czytelna forma regu)

Jeeli warunki atmosferyczne s typowe dla deszczu to powinien wystpi opad

Reguy bazujce na prototypach -

przykad

W postaci regu bazujcych na prototypach

Jeeli pogoda jest za to bdzie pada w przeciwnym razie nie bdzie pada

Inne formy reprezentacji wiedzy

W postaci probabilistycznej P(wilgotno,temperatura|pada) >

P(wilgotno,temperatura|nie pada) => nie bdzie pada

Inne formy reprezentacji wiedzy

Za pomoc zbiorw przyblionych (definiujemy doln i grn aproksymacj dla zbioru pada) i na podstawie odpowiedniej heurystyki podejmujemy decyzj

Dolna aproksymacja

Grna aproksymacja

Inne formy reprezentacji wiedzy

Sieci semantyczne (np. gra w 20 pyta)

Systemy ekspertowe

narzdzia

Jzyki reprezentacji wiedzy

Prolog - Programmation en Logique jzyk programowania logicznego, stworzony w 1971 roku

LIPS Language Integrated Production System. jeden z najstarszych jzykw programowania logicznego (1951) Obok fortrana najstarszy jzyk wysokiego poziomu

CLIPS - C Language Integrated Production System. Jedna z darmowych wersji implementacji jzyka LIPS

http://pl.wikipedia.org/wiki/1971