Инженерия знаний

Системы, основанные на знаниях, стали применяться для решения практических задач только после осознания исследователями в области искусственного интеллекта следующего факта.

На практическую ценность указанных систем влияет в первую очередь мощность их базы знаний. Естественно, качество механизма вывода определяет качество получаемых с помощью системы решений. Однако используемые экспертной системой методы по сравнению с мощностью базы знаний играют вторую роль.

Осознание данного факта явилось одной из причин возникновения нового направления в области искусственного интеллекта – инженерии знаний.

Инженерия знаний включает в себя все аспекты создания баз знаний систем, основанных на знаниях. В свое время термин «инженерия знаний» использовали для процесса создания экспертных систем, В дальнейшем под этим термином стали понимать технологию создания БЗ.

При разработке базы знаний необходимо дать ответ на ключевой вопрос: Как будет осуществляться ее наполнение?

Проблема создания БЗ включает в себя несколько аспектов: извлечение знаний, приобретение знаний, получение знаний, их выявление, формирование, структурирование. Следует заметить, что до сих пор имеет место различное толкование указанных понятий. Другими словами, нет их строгих определений.

В отечественной литературе термин извлечение знаний в основном используется для процесса переноса компетентности эксперта через инженера по знаниям в базу знаний, в то время как термин приобретение знаний – для процесса наполнения базы знаний экспертом с помощью специализированных программных средств.

Формирование знаний представляет собой процесс анализа знаний и выявление скрытых (не явных) в них закономерностей с использованием специального математического аппарата и программных средств.

По традиции сюда относят разработку моделей, методов и алгоритмов обучения, в частности методы распознавания образов.

Приобретение, извлечение и формирование знаний – это виды стратегии получения знаний. Каждой из этих стратегий присущи свои особенности.

Процесс извлечения знаний рассматривают в трех аспектах: психологическом, лингвистическом и гносеологическом.

Психологический аспект.

Специалисты отмечают, что психологический аспект занимает ведущее место в процессе извлечения знаний, поскольку он определяет эффективность взаимодействия разработчиков системы. В тоже время довольно часто психологическому аспекту не уделяется должное внимание. Отличительной особенностью процесса извлечения знаний является участие в нем как эксперта, так и инженера по знаниям (аналитика). Отсюда и определенные трудности проектирования баз знаний.

Прежде всего они обусловлены тем, что эксперту и аналитику необходимо совместно создать дружественную атмосферу общения между собой. В то же время далеко не все обладают культурой общения.

Выделяют четыре уровня общения.

На первом уровне участники разработки проекта считают друг друга средством, которое можно использовать в своей работе, а иногда и помехой. На втором уровне они прислушиваются к мнению соучастников, хотя и не признают за ними права на реализацию их предложений. На третьем уровне субъекты переходят к согласованию проектов, предложенных к обсуждению. И только на следующем уровне они принимают общий план действий.

Аналитик и эксперт обмениваются между собой знаниями. При отсутствии должного взаимопонимания между ними теряется значительная доля информации, передаваемой друг другу. Обеспечение необходимой информативности при передаче знаний от эксперта аналитику является первостепенной проблемой при их общении.

Степень информативности зависит от многих факторов. Такими факторами являются: пол, возраст, темперамент личности и, безусловно, мотивация разработчиков БЗ.

В психологии установлено: наибольшая степень информативности наблюдается в том случае, когда разность в возрасте учителя и ученика не превышает 20 лет.

Как показывают результаты исследований в области психологии, потери информации в процессе лекции обычно имеют следующие закономерности

Задумано Высказано Выслушано Понято Осталось в памяти

100% 80% 70% 60% 25%

Немаловажное значение и вопросы организации процедуры общения.

К психологическим проблемам общения относится проблема изучения понятийного пространства эксперта и модели его рассуждений.

Для повышения эффективности извлечения знаний желательно, чтобы аналитик и эксперт обладали следующими когнитивными характеристиками:

• высокой поленезависимостью;

• рефлексивностью;

• когнитивной эквивалентностью;

• эксперты – устойчивостью представлений, а аналитики – умением приспосабливаться к новым условиям окружающей среды.

Поленезавимость означает способность выделять главное и второстепенное в проблеме. Следует иметь в виду, что полезависимые люди более склонны к общению.

Рефлексивность характеризуется склонностью к рассудительности и самоанализу.

Когнитивная эквивалентность определяется способностью человека к различению понятий и разбиению их на классы.

Аналитик должен уметь формировать полученные от эксперта знания, пользуясь неформальными методами обработки информации.

Формирование знаний представляет собой процесс анализа знаний и выявление скрытых (не явных) в них закономерностей с использованием специального математического аппарата и программных средств.

Лингвистический аспект.

Основная проблема данного аспекта заключается в том, что терминологические множества участников создания БД значительно отличаются друг от друга.

Эксперт и аналитик – это специалисты в разных областях знаний. Каждый из них волей или неволей при общении между собой говорит на «своем языке». Известно, что различным областям человеческого знания присущи свои понятия, термины. Поэтому «языки» разного рода специалистов отличаются между собой. Чтобы в результате их общения возможен был перенос знаний от одного к другому, необходимо преодолеть языковый барьер, т.е. следует выработать общий язык. Выработка такого языка является довольно сложной проблемой лингвистического аспекта извлечения знаний.

Гносеологический аспект.

При построении базы знаний необходимо решать вопросы гносеологического аспекта. При решении этих вопросов нужно выработать методологию получения аналитиком новых знаний. В чем сложность данной проблемы?

Основной задачей инженера по знаниям является создание модели рассматриваемой предметной области. однако, как правило, он не обладает знаниями специалистов в данной области. Эксперту, как это ни странно звучит, еще труднее создать искомую модель. Ему мешает глубина знаний проблемной области и большой объем информации, которым он владеет. К тому же он не является специалистом по разработке информационных моделей предметных областей.

Эксперт и аналитик по разному представляют себе искомую модель предметной области. Несмотря на это они должны придти к общему решению. При этом инженеру по знаниям предстоит выделить из системы знаний эксперта ту часть, которая наиболее существенна для построения модели предметной области, модели, которая наиболее полно отражает последнюю.

В процессе разработки БЗ эксперты часто впервые формулируют некоторые закономерности, присущие рассматриваемой предметной области на основе накопленного ими эмпирического опыта. Последовательность факт→ обобщение → эмпирическтй закон → теоретический закон называется гносеологической цепочкой. Используя такую цепочку, получают новые знания.

Качество новых знаний определяется внутренней согласованностью, объективностью, системностью и историзмом.

Аналитики прежде всего извлекают эмпирические знания экспертов, которые могут оказаться и несогласованными.

Внутренняя согласованность эмпирических знаний характеризуется модальностью, противоречивостью и неполнотой.

На начальных этапах инженер по знаниям может использовать разные подходы при построении формальной модели знаний предметной области.

Методы извлечения знаний

Все методы извлечения знаний, используемые в инженерии знаний, можно разделить на два класса. К первому классу относят коммуникативные методы, ко второму – текстологические.

Первые основаны на непосредственном контакте с экспертом, тогда как вторые – на самостоятельном изучении аналитиком вопросов рассматриваемой предметной области.

По сути дела указанные классы определяются источником извлечения знаний. В первом случае – это учитель, во втором – литература, интернет и т.д.

Коммуникативные методы объединяют в себе два вида: пассивные и активные. Если в пассивных методах ведущую роль играет эксперт, то в активных такая роль отводится инженеру по знаниям.

Пассивные коммуникативные методы предполагают проведение учебных занятий под руководством эксперта. Занятия могут проводиться как форме лекций, так и в виде наблюдений за действиями эксперта при решении рассматриваемой задачи. Метод наблюдений часто применяют на начальном этапе создания базы знаний, когда аналитик знакомится с предметной областью. Он только видит, как эксперт получает искомое решение. Если эксперт объясняет цепочку своих рассуждений, а аналитик задает вопросы ему, то данный метод называют методом анализа протоколов вслух.

Положительной стороной методов наблюдений является отсутствие влияния аналитика на действия и рассуждения эксперта. Вместе с тем нет и обратной связи между ними, что может привести к недопониманию аналитиком существа проблемы.

Занятиям в форме лекций также присущи свои недостатки. Они обусловлены тем, что практически отсутствует диалог между учителем и учеником. Мышлению человека свойственна диалогичность. Это было отмечено еще древнегреческими учеными, например, Платоном. Поэтому они нередко проводили занятия в форме диалога и свои труды писали в этом виде.

При выборе того или иного метода извлечения знаний следует учитывать особенности изучаемой предметной области. В зависимости от степени структурированности обычно выделяют три класса предметных областей:

• хорошо структурированные (с четкой аксиоматикой, устоявшейся терминологией, широким применением математического аппарата);

• средне структурированные (с определившейся терминологией, явными взаимосвязями);

• слабоструктурированные (размытыми определениями, скрытыми взаимосвязями, большим объемом эмпирических сведений).

В активных коммуникативных методах используют анкетирование, интервьюирование и различные экспертные или ролевые игры. Активными методами являются и круглый стол, мозговой штурм и свободный диалог. Анкеты составляют с учетом рекомендаций психологов и социологов. К таким рекомендациям в частности относятся следующие.

1. Анкета должна быть приспособлена к языку эксперта.

2. Анкета не должна быть монотонной и однообразной.

3. Помимо основных вопросов в анкете следует иметь вопросы, предназначенные для контроля правильности ответов, а также и для снятия напряженности участников общения.

4. Последовательность вопросов должна быть оптимальной с точки зрения эффективности анкетирования.

Метод интервьюирования отличается от вышеизложенного тем, что он допускает исключение некоторых вопросов из подготовленного списка и замену их другими. В психологии принято классифицировать вопросы по форме, функциям и по воздействию.

По форме вопросы могут быть:

• открытые;

• закрытые;

• личные;

• безличные;

• прямые;

• косвенные;

• словесные;

• с использованием наглядного материала.

По функциям вопросы делят на основные, зондирующие и контрольные; по воздействию на – нейтральные и наводящие.

Открытый вопрос не налагает каких-либо ограничений на содержание ответа и его форму.

Закрытый вопрос содержит набор возможных ответов.

Личный вопрос требует ответа эксперта на основании его личного опыта, в то время как ответ на безличный вопрос должен содержать основные закономерности, присущие рассматриваемой предметной области.

Прямой вопрос является конкретным вопросом, а косвенный содержит довольно широкую область объектов предметной области.

Метод свободного диалога не предусматривает проведение беседы по жестко регламентированному плану и заданной последовательности вопросов. Однако это совсем не означает, что диалог проводится без соответствующей подготовки и без плана.

В последнее время одним из самых распространенных активных методов извлечения знаний стал метод мозгового штурма. Этот метод применяется тогда, когда в состав разработчиков системы входят несколько экспертов. Он предполагает обсуждение поставленной проблемы одновременно всеми участниками проекта. В этом случае первостепенное значение приобретает культура общения. При обсуждении проблемы участники мозгового штурма должны суметь сконцентрироваться на главных вопросах и не отвлекаться на решение второстепенных. Следует признать, что данный метод, к сожалению, далеко не всегда продуктивен.

Экспертные игры дают возможность выяснить, какую информацию можно использовать и сравнительно быстро дать качественное решение рассматриваемой проблемы. К недостатком этого метода следует отнести то, что сегодня нет наработанных методик проведения экспертных игр. Кроме того, данным методом могут воспользоваться только аналитики, имеющие солидный опыт создания баз знаний. Да и не каждый эксперт в силу своего характера может принять участие в подобных играх.

Текстологические методы предполагают извлечение знаний аналитиком из специальной литературы, посвященной рассматриваемой проблематике. В частности, с той целью могут использоваться компьютерные образовательные программы.