Принцип работы экспертных систем
В 1970-е годы центр тяжести исследований сместился от «универсального разума» к узким практическим задачам. Так родились экспертные системы — программы, которые воспроизводят рассуждения человека-эксперта в конкретной области: медицине, химии, конфигурации оборудования.
Классическая архитектура экспертной системы включает четыре компонента:
- База знаний — факты и правила вида «ЕСЛИ условие ТО вывод», собранные у специалистов
- Механизм вывода (inference engine) — применяет правила к фактам и строит цепочку заключений. Работает двумя способами: прямая цепочка (от известных фактов к выводу) и обратная цепочка (от гипотезы назад к проверяемым фактам)
- Подсистема объяснения — отвечает на вопросы пользователя «как получен вывод?» и «почему задан этот вопрос?»
- Модуль приобретения знаний — инструменты пополнения базы знаний
Пример правила из медицинской системы MYCIN:
ЕСЛИ организм грамположительный
И организм — кокк
И организм растёт гроздьями
ТО есть свидетельство (0.7), что это стафилококк
Число в скобках — коэффициент уверенности (certainty factor), способ работать с неопределённостью.
Ключевая идея десятилетия, сформулированная Эдвардом Файгенбаумом: «сила — в знаниях» (in the knowledge lies the power). Качество системы определяется не хитрым алгоритмом, а полнотой и точностью знаний эксперта.
Система MYCIN
MYCIN (1972–1976, Стэнфордский университет, Эдвард Шортлифф) — самая знаменитая медицинская экспертная система. Она диагностировала бактериальные инфекции крови (бактериемию и менингит) и подбирала антибиотики с дозировкой.
Характеристики:
- Около 600 правил, накопленных у врачей-инфекционистов
- Диалог с врачом на естественном языке + подсистема объяснений
- Коэффициенты уверенности для работы с неполными данными
В слепом тесте Стэнфорда (1979) рекомендации MYCIN признали приемлемыми примерно в 65% случаев — на уровне специалистов-инфекционистов и лучше, чем у молодых врачей без специализации.
При этом в реальную клиническую практику MYCIN так и не вошла: анализ крови занимал дни, а юридические и этические вопросы («кто отвечает за ошибку?») не были решены. Наследие системы оказалось важнее её применения: на основе MYCIN появилась оболочка EMYCIN, а сама она стала образцом проектирования экспертных систем.
Система DENDRAL
DENDRAL (Стэнфорд, середина 1960-х; Эдвард Файгенбаум, Джошуа Ледерберг, Брюс Бьюкенен) считается первой экспертной системой в истории.
Задача: определять молекулярную структуру неизвестного органического соединения по данным масс-спектрометрии. Пространство возможных структур огромно, поэтому полный перебор невозможен. DENDRAL использовала стратегию Plan–Generate–Test: сначала отсекала большинство вариантов по химическим закономерностям, затем генерировала кандидатов и проверяла их по спектрам.
Значение DENDRAL:
- Доказала, что эвристики из знаний эксперта побеждают грубый перебор
- Породила саму профессию инженера знаний — специалиста, который извлекает знания у экспертов и формализует их
- Задала шаблон разработки, который позже повторили MYCIN и десятки других систем
Промышленное применение
В 1980-е годы экспертные системы стали первым коммерческим успехом ИИ:
- XCON/R1 (Digital Equipment Corporation, 1980) — конфигурация заказов компьютеров VAX; тысячи правил экономили DEC, по оценкам, около 25 миллионов долларов в год
- Нефтегазовая отрасль — интерпретация данных бурения (Dipmeter Advisor компании Schlumberger)
- Финансы — кредитный скоринг, оценка рисков, обнаружение мошенничества
- Телефония — автоматическая диагностика неисправностей линий связи
- Медицина — INTERNIST-I/QMR для внутренней медицины, PUFF для лёгочных заболеваний
К середине 1980-х корпорации тратили на разработку таких систем миллиарды долларов, а рынок ИИ оценивался примерно в миллиард долларов. Однако за этим бумом последует спад: сопровождение баз знаний оказалось дорогим, а системы — хрупкими за пределами своей узкой задачи. Об этом — следующий урок.
Проверьте себя
- Из каких компонентов состоит классическая экспертная система?
- Чем известна система MYCIN и почему она не вошла в клиническую практику?
- Почему DENDRAL называют первой экспертной системой?