Поисковая экспертная система

Изобретение относится к области контрольно-вычислительной техники и может быть использовано при разработке систем автоматического управления (САУ) летательных аппаратов (ЛА). Техническим результатом является повышение информативности экспертных систем за счет поиска скрытых знаний целенаправленных иерархических структур базы данных ЭС при создании авиационной техники. Поисковая экспертная система (ПЭС) содержит базу знаний (БЗ) и базу данных (БД), рабочую память (РП), двусторонне связанную с ними первыми, вторыми и третьими входами-выходами машину логического вывода (МЛВ), блок объяснений (БО) и блок приобретения знаний, накопления знаний (БПЗ), выходы которых связаны с третьим и четвертым входами МЛВ, а также соединены двусторонними связями с пользовательским интерфейсом, выход которого связан с терминалом пользователя, блок общения, вход которого соединен с четвертым выходом МЛВ. В нее введены блок запросов, блок нагрузочных функций (БНФ), блок управляющего графа (БУГ), блок библиотеки (ББ), блок полноты вывода (БПВ), взаимосвязанный входом-выходом с БПВ блок выработки решений, обоснования решений (БВР). Причем выход блока общения связан с блоком запросов, выход которого связан с первым входом БНФ. Второй его вход соединен с первым выходом БВР, а выход БНФ соединен с входом БУГ, выход которого связан с ББ, выход последнего подключен к БД. Пятый выход МЛВ связан с входом БПВ, а БВР двухсторонними связями соединен с БПЗ, третьим входом-выходом соединен с пользовательским интерфейсом. Второй выход БВР подключен к второму входу терминала пользователя. 1 ил.

 

Область техники

Поисковая экспертная система (ПЭС) относится к области контрольно-вычислительной техники и может быть использована при разработке систем автоматического управления (САУ) летательными аппаратами (ЛА).

Уровень техники

Известна связанная экспертная система (ЭС) (см. патент РФ на полезную модель №29597, 7 G06F 1/00, 2002 г.), включающая базу знаний (БЗ), базу данных (БД), процессор с динамическим запоминающим устройством, соединенный с машиной логического вывода (МЛВ), включающей интерпретатор и селектор, блок объяснений, блок организации взаимодействия с пользователем, введенный в МЛВ блок проверки двойственности, а БЗ выполнена в виде нейронной сети произвольной топологии на основе персептрона, соединенного с селектором МЛВ, вход блока проверки двойственности соединен с селектором МЛВ, а выход его соединен с интерпретатором МЛВ.

Однако предметная область базы данных (БД) связанной ЭС, ориентированная на задачи опознавания образов, не может участвовать в решении проблем выявления скрытых знаний иерархических структур БД при различных вероятностных характеристиках информации экспертов, делающих свои заключения.

Известна экспертная система (см. патент РФ на полезную модель №83638, G06F 17/00, 2006 г.). Система определения параметров рационального сокращения должностных лиц в организации, содержащая базу знаний (БЗ), машину логического вывода (МЛВ), рабочую память, блок объяснения, пользовательский интерфейс, блок приобретения знаний, причем выход БЗ и выход рабочей памяти соединены со входами МЛВ, другой вход МЛВ соединен с выходом блока приобретения знаний, выходы МЛВ соединены с входом БЗ и входом рабочей памяти, следующий выход МЛВ соединен с входом блока объяснений, а выход его и выход блока приобретения знаний соединены со входами пользовательского интерфейса, выходы которого соединены с входом блока объяснения и входом приобретения знаний, другие вход и выход пользовательского дисплея являются входом и выходом всей ЭС. В состав ЭС включен блок определения параметров сокращения при отсутствии обязательств по отношению к уволенным сотрудникам, блоки определения параметров сокращения при самостоятельном исключении второстепенных задач и жестких обязательствах по социальному обеспечению увольняемых сотрудников.

Однако данная экспертная система, предметная область которой ориентирована на решение организационных задач социального обеспечения сотрудников, не может обеспечивать выявление скрытых знаний иерархической структуры БД ЭС при создании авиационной техники.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в повышении информативности экспертных систем за счет поиска скрытых знаний целенаправленных иерархических структур базы данных ЭС при создании авиационной техники.

Существенные признаки

Для достижения указанного технического результата в поисковую экспертную систему (ПЭС), содержащую базу знаний (БЗ) и базу данных (БД), рабочую память (РП), двусторонне связанную с ними первыми, вторыми и третьими входами-выходами машину логического вывода (МЛВ), блок объяснений (БО) и блок приобретения знаний, накопления знаний (БПЗ), выходы которых связаны с третьим и четвертым входами МЛВ, а также соединены двусторонними связями с пользовательским интерфейсом, выход которого связан с терминалом пользователя, блок общения, вход которого соединен с четвертым выходом МЛВ, дополнительно в нее введены блок запросов, блок нагрузочных функций (БНФ), блок управляющего графа (БУГ), блок библиотеки (ББ), блок полноты вывода (БПВ), взаимосвязанный входом-выходом с БПВ блок выработки решений, обоснования решений (БВР). Причем выход блока общения связан с блоком запросов, выход которого связан с первым входом БНФ. Второй его вход соединен с первым выходом БВР, а выход БНФ соединен с входом БУГ, выход которого связан с ББ, выход последнего подключен к БД. Пятый выход МЛВ связан с входом БПВ, а БВР двухсторонними связями соединен с БПЗ, третьим входом-выходом соединен с пользовательским интерфейсом. Второй выход БВР подключен к второму входу терминала пользователя.

Пояснение фигур

Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 приведена структура поисковой системы, где изображены: 1 - база знаний (БЗ); 2 - блок общения; 3 - блок библиотеки (ББ); 4 - блок запросов; 5 - блок полноты выводов; 6 - база данных (БД); 7 - машина логического вывода (МЛВ); 8 - рабочая память; 9 - блок нагрузочных функций; 10 - блок управляющего графа; 11 - блок объяснений; 12 - пользовательский интерфейс; 13 - блок приобретения знаний, накопления знаний (БПЗ), 14 - блок выработки решений, обоснования решений (БВР); 15 - терминал пользователя.

ПЭС содержит БЗ 6 и БД 1, двусторонне связанные с первым и вторым входами-выходами МЛВ 7, а последняя - двусторонне связанная с БЗ 6 и РП 8 для хранения промежуточных результатов вычислений. Выходы блока объяснений БО 11 и блока приобретения знаний, накопления знаний БПЗ 13 связаны с третьим и четвертым входами МЛВ 7, а их входы-выходы двусторонними связями соединены с пользовательским интерфейсом 12, выход которого соединен с терминалом пользователя. Вход блока общения 2 соединен с четвертым выходом МЛВ 7, выход блока общения 2 связан с блоком запросов 4, выход которого связан с первым входом БНФ 9. Второй вход БНФ 9 соединен с первым выходом БВР 14, а выход - со вторым входом БУГ 10. Выход БУГ 10 соединен с ББ 3, выход последнего связан с БД 1. Пятый выход МЛВ 7 связан с входом БПВ 5, а вход-выход его соединены с первым входом-выходом БВР 14, второй выход БВР 14 соединен со вторым входом терминала пользователя 15, второй вход-выход БВР 14 соединен со вторым входом-выходом блока приобретения знаний 13, третий вход-выход двухсторонними связями соединен с блоком пользовательского интерфейса 12.

Система работает следующим образом

БЗ 1 в начале работы содержит формулировку поставленной задачи, а затем в ней появляется множество фактов, которые программа смогла установить к текущему моменту времени. БЗ 1 содержит всю информацию, относящуюся к данной предметной области, представленную в виде фактов, правил и моделей. Факты - конкретные данные об объектах из рассматриваемой области. Правила - эвристический опыт специалистов, выраженный в структуре «ЕСЛИ-ТО», не гарантируют получение оптимального решения даже при наличии правильных исходных данных. Оптимальность их значений определяется углублением знаний ПЭС, использованием скрытых знаний, моделей - описанием систем, действие которых основано на известных физических законах, позволяющих прогнозировать их поведение в исследуемой ситуации.

Наполнение информацией БЗ 1 требует поиск и привлечение профессиональных экспертов высокого уровня, проявляется понимание того, что «делает» ЭС. При этом обработка информации правил БЗ дает возможность легко видоизменять их, оставляя неизменной программу обработки правил.

Рабочее пространство в базе фактов 1 играет роль кратковременной памяти, а факты, которые оно содержит, являются утверждением описания задачи и способов обращения к долговременной памяти. БЗ 1 состоит из операторов преобразования, выраженных в форме правил. Правила содержат переменные, которые уточняются и приводятся в соответствие с известными фактами с помощью процедур квазиунификации или фильтрации в процессе работы МЛВ 7. МЛВ 7 - набор приемов обработки данных из БЗ 1, направленных на решение поставленной задачи. Унификация является механизмом, который лежит в основе работы продукционных систем. Она позволяет ответить на вопрос, существуют ли такие комбинации переменных, которые позволяют получить логически идентичные формулы и являются составным элементом алгоритма резолюции. При выполнении унификации в МЛВ 7 происходит разрешение конфликтов, управление приоритетами, распространение ограничений, выполняется доступ к памяти.

МЛВ 7 - интерпретатор, являющийся основной частью ЭС, управляет порядком выводов, выполнение которых представляется в виде последовательности элементарных циклов.

Элементарный цикл МЛВ состоит в следующем:

- определение: представление правил и относящихся к ним фактам путем унификации (сопоставление с образцом);

- выбор: выбрать такие правила, которые следует выполнить для эффективного решения задачи;

- вывод: выполнить действия, используя результаты определения унификации правил, построить новую базу фактов.

Управление ЭС состоит в разрешении конфликтов между правилами, готовыми к выполнению. Выбор правила имеет важное значение не только для производительности ЭС, но и для того, чтобы она могла совершенствоваться и «понимать» то, что она делает.

Вопросы к БД 1 определяет информационный поиск идентичных объектов. Поиск заключается в использовании трех объектов: множество запросов (блок запросов 4), множество записей (блок 9) и бинарное отношение (блок 10), заданное на декартовом произведении этих множеств. Отношение поиска записи - поисковый образ элементов данных, которые представляют интерес в данном типе вопросов. Запрос - минимальный элемент, содержащий суть вопроса. Запрос совместно с отношением очерчивает тот круг объектов, которые отвечают на данный вопрос. Задача поиска заданного типа определяется выделением из множества записей конечного подмножества - библиотеки (блок 3). Задача поиска состоит в том, чтобы по произвольному запросу перечислить все записи из библиотеки 3, находящиеся в заданном отношении с запросом (удовлетворяющие запросу). При фиксации отношения поиска каждая запись задает предикат, определенный на множестве запросов и равный 1, если данная запись удовлетворяет запросу - аргументу функции. Задача поиска - способ описания конкретного класса предикатов, задаваемых на множестве запросов - конкретное подмножество предикатов из этого класса.

Управляющая система - информационный граф (ИГ) (блок управляющего графа - блок 10) строится на основе дискретных функций и вычисления волновых процессов на графах. В модели данных структура задается ориентированным информационным графом, ребра и вершины графа, нагруженные элементами данных, ассоциируются с выходами. Этот же граф описывает алгоритм поиска, на вход которого поступает запрос (блок 4), а на выходе получается подмножество данных. При этом процесс поиска начинается с корня «дерева» ИГ и распространяется в зависимости от значений нагрузочных функций на запрос, сразу по нескольким направлениям. Если этот волновой процесс на графе достигается элементами данных, то эти элементы включаются в ответ алгоритма на исходный запрос. ИГ решает задачу поиска, если для запроса ответ на этот запрос содержит все те и только те записи из библиотеки ББ 3, которые удовлетворяют запросу. Таким образом, ИГ (блок 10) определяет концепцию хранения данных и поиска информации как волнового процесса на графах, управляемого нагрузочными функциями (блок 9). Нагрузочные функции разделены на два класса - предикаты и переключатели и являются одним из основных управляющих параметров модели.

Нагрузочные функции определяют функции проводимости между вершинами графа при синтезе ИГ, реализующего систему функций, задаваемую задачей поиска.

Информационно-графовая модель обобщает модели данных. Алгоритмы и конструкции, используемые в древовидных базах данных, описываются древовидными ИГ.

Сетевые базы данных перекладываются на язык информационно-графовой модели - представляются графами. В дедуктивных базах данных нужные данные и знания получают путем логического вывода. Поэтому алгоритм поиска, используемый в этих базах данных, при переходе на язык информационных графов приводит к константному дереву, которое отражает суть дерева логического вывода. В реляционных базах данные представляются в виде таблиц. При этом алгоритм поиска есть алгоритм перебора, который описывается древовидным информационным графом.

Задачи поиска могут быть - поиск идентичных объектов, поиск на частично упорядоченных множествах данных, в которых в ответ на запрос надо перечислить все элементы базы данных, которые в заданном частичном порядке меньше, чем запрос. Это задачи включающего интервального поиска и задачи о доминировании.

Тем самым ИГ (блок 10) корректирует и раскрывает структурную часть БД (блок 1), обрабатывающую класс вопросов к БД, а сама БД в информационно-графовой модели представляется как совокупность нескольких ИГ (блок 10), охватывающих весь спектр вопросов к БД.

Область запросов - основной предмет ЭС. Если что-то попало в область запросов, то можно спросить об этом. Область запросов - это область, в которой ЭС должна быть экспертом, поэтому ЭС имеет базу знаний, содержащую заложенную в нее информацию. В идеальном случае БЗ целиком определяет область запросов, т.е. ей следовало бы знать все относительно рассматриваемого объекта, что на практике - маловероятно. БЗ фактически значительно меньше, чем область запросов и существует внутри нее.

Когда возникает конкретный вопрос, запрос должен попасть в область запросов. Однако он может не всегда точно попасть в БЗ. Место, в которое поместили конкретный пример, зависит от степени охвата БЗ данного конкретного примера внутри ЭС.

В БЗ различают два типа информации, связанной с данной задачей: постоянную и переменную информацию. Постоянная информация должна поступать в БЗ. Она содержит неизменные данные, которые характеризуют предметную область в целом. Переменная информация не должна поступать в БЗ, ее информация связана с задачей, поставленной в данный момент. Постоянная информация - это программная часть, а переменная информация - данные для конкретной задачи. Но ЭС имеет возможность обучения по мере накопления опыта, поэтому постоянная информация становится переменной.

Информационно-графовая модель данных объекта описывается: множеством запросов X, задаваемых на нем (объекте) вероятностным пространством, множеством потенциальных ответов У - записями, бинарным отношением ρ, заданным на X×У - отношение поиска и описывающее критерий семантического соответствия записи запросу, т.е. если ХρУ, то запись удовлетворяет запросу X.

Тройка (X, У, ρ) - типы задач информационного поиска, а (X, V, ρ) или (X, V, ρ, У) - библиотека, где V - это конечное подмножество - конкретная задача информационного поиска (ЗИП). ЗИП содержательно состоит в перечислении для произвольно взятого х∈Х всех и только тех записей из У, которые находятся в отношении ρ с запросом X, то есть удовлетворяют запросу X.

ИГ (блок 10) включает описание множества F одноместных предикатов, заданных на множестве X, множества G одноместных переключателей, заданных на множестве X; переключатели - это функции, область значений которых является начальным отрезком натурального ряда.

Задача интервального поиска на ИГ включает конечную многополюсную ориентированную сеть, в которой выбирается некоторый полюс - корень, остальные полюсы - листья, им приписываются записи из У (символы У с индексом), причем разным листьям могут быть приписаны одинаковые записи. Некоторые вершины сети (и полюсы) переключательные, и им приписываются переключатели из G. Ребра, не являющиеся переключательными, - предикатные, и им приписываются предикаты из множества F. Нагруженная многополюсная ориентированная сеть - ИГ над базовым множеством ℑ=<F, G>.

Функционирование ИГ определяется, если предикатное ребро проводит запрос х∈Х, то предикат, приписанный этому ребру, принимает значение 1 на запросах. Переключательное ребро, которому приписан номер n, приводит запрос х∈Х, если переключатель, приписанный началу этого ребра, принимает значение n на запросе х. Ориентированная цепь ребер проводит запрос х∈Х, если каждое ребро цепи проводит запрос х. Запрос х∈Х проходит вершину β ИГ, если существует ведущая из корня в вершину β ориентированная цепь, которая проводит запрос х. Запись у, приписанная листу α, попадает в ответ ИГ на запрос х∈Х, если запрос х проходит в лист х. Ответом U ИГ на запрос х - множество записей, попавших в ответ ИГ на запрос х - это ℑ_u(х) - результат функционирования ИГ U. Каждому ИГ U можно сопоставить процедуру поиска. Процедура хранит в своей внешней памяти структуру ИГ U. Входными данными процедуры является запрос, выходными - множество записей.

Если дана ЗИП I=<Х, У, ρ>, то ИГ U разрешает ЗИП I=<Х, У, ρ>, если для любого запроса х∈Х ответ на этот запрос содержит все и только те записи из V, которые удовлетворяют запросу х, т.е. ℑ_u(x)={y∈V: xρy}.

Работа БПВ 5 строится на основе использования регистровых автоматов (РА), определяющих полноту выводов. Каждый входной сигнал х∈Х автомата А определяет преобразование f_x: а→а_х множества состояний автомата А. Полугруппа G_a (множество с одной бинарной операцией, удовлетворяющей закону ассоциативности) - порожденная всеми такими преобразованиями - полугруппа автомата А. Для каждого слова p∈F(x) определяется преобразование f_p: a→a_p.Соотношение f_pq=f_p·f_q показывает, что отображение γ: p→f_p есть взаимно однозначное соответствие (гомоморфизм) свободной полугруппы F(x) на полугруппу G_A. Полугруппа G_A автомата А есть Х-автомат, если f_px=f_px. Отображение ξ_а: G_A=ар является гомоморфизмом автомата G_A в автомат A. F(x) - это Х-автомат с функцией переборов δ(p, х)=рх. Тогда γ - гомоморфизм автомата F(x) на G_A.

Гомоморфизмы γ и γ_A'=γξ_A индуцируют разбиение R и R_A' полугруппы F(x) на классы слов, имеющих одинаковые образы при гомоморфизмах γ и γ_A' - полнота выводов. Разбиение R_A' является автономным, т.е. для любого класса S этого разбиения и любого х∈Х найдется класс S' такой, что S_x⊂S'. Разбиение R является полугрупповым, т.е. для любой пары S' и S'' его классов найдется класс S такой, что S'S''⊂S - отношение конгруэнтности на полугруппе F(х). БПВ 5 выполнен в виде регистрового автомата - бесконечный автомат с использованием Р-позиционного регистра - множество переменных (элементов регистра) с одной и той же р-элементной областью определения Р, занумерованных последовательными целыми числами и упорядоченных в соответствии с этой нумерацией.

Регистр состоит из конечного числа элементов, которые считаются бесконечными. Для нумерации элементов двустороннего регистра используются все целые рациональные числа (положительные и отрицательные), а одностороннего бесконечного регистра - все числа интервала (m, +∞) или (-∞, m).

Состояние регистра - всевозможные наборы значений (состояний) его элементов. Для задания преобразований множества состояний регистра используют периодически определенные преобразования, которые задают р-значной функцией f(z₁…z_q) и базовыми уравнениями У_i=f(x_i+1,...x_i+iq), определяющими значение i-й переменной регистра после выполнения преобразований через значение x_i его переменных до выполнения преобразования. Набор чисел (i_i…i_q) - база периода. Для бесконечного регистра в обе стороны базовое уравнение однозначно определяет преобразование. В случае бесконечного в одну сторону или конечного регистра имеет место краевой эффект, когда часть или все аргументы x_i+1,…x_i+iq, при которых i выходит за пределы рассматриваемого регистра. В этом случае рассматриваемый регистр дополняют фиктивными элементами, принимающими всегда постоянные значения.

Преобразование переносится на случай нескольких регистров. В этом случае определяется множество состояний РА и функция переходов В. РА состоит из некоторого конечного набора регистров R₁…R_n и состояниями его являются наборы состояний регистров. Каждому входному сигналу у∈У входного алфавита У автомата В соответствует некоторое преобразование f_y множества В. Для заданной функции выходов РА рассматривается разбиение Г множества его состояний на попарно непересекающиеся классы и рассматривают функцию выходов как функцию, зависящую только от класса, которому принадлежит состояние автомата и выходного сигнала. Разбиение Г конечное, а его классы получаются путем применения булевых операций к допустимым множествам - конечно определенным множествам, в которых заданные элементы некоторого регистра (конечное число) принимают заданные значения. Допустимыми являются множества, в которых заданный регистр содержит определенную конфигурацию значений переменных или в состоянии его заданная конфигурация периодически повторяется.

Информация из БПВ 5 поступает в блок 14 для выработки решения, а затем в блок 13 приобретения знаний. Обучающая система ЭС - блок 13 находит уравнение поверхности в n-мерном пространстве описания, эта поверхность разделяет группы объектов. Задача обучения - разделение - задача классификации. Система ориентируется на удаленные объекты, использованные для определения положения разделяющей поверхности. Система изменяет положение поверхности, если только делаются ошибки классификации.

Поисковая экспертная система (ПЭС), содержащая базу знаний (БЗ) и базу данных (БД), рабочую память (РП), двусторонне связанную с ними первыми, вторыми и третьими входами-выходами машину логического вывода (МЛВ), блок объяснений (БО) и блок приобретения знаний, накопления знаний (БПЗ), выходы которых связаны с третьим и четвертым входами МЛВ, а также соединены двусторонними связями с пользовательским интерфейсом, выход которого связан с терминалом пользователя, блок общения, вход которого соединен с четвертым выходом МЛВ, отличающаяся тем, что в нее введены блок запросов, блок нагрузочных функций (БНФ), блок управляющего графа (БУГ), блок библиотеки (ББ), блок полноты вывода (БПВ), взаимосвязанный входом-выходом с БПВ блок выработки решений, обоснования решений (БВР), причем выход блока общения связан с блоком запросов, выход которого связан с первым входом БНФ, второй его вход соединен с первым выходом БВР, а выход БНФ соединен с входом БУГ, выход которого связан с ББ, выход последнего подключен к БД, пятый выход МЛВ связан с входом БПВ, а БВР двухсторонними связями соединен с БПЗ, третьим входом-выходом соединен с пользовательским интерфейсом, второй выход БВР подключен к второму входу терминала пользователя.