Об одном семействе интеллектуальных информационных систем учебного назначения, называемых статическими банками знаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Об одном семействе интеллектуальных информационных систем учебного назначения, называемых статическими банками знаний

А.С. Миронов

МГУПИ, Москва

В работе рассматриваются вопросы организации, реализации и применения статических банков знаний (СБЗ) - интеллектуальных информационных систем учебного назначения, используемых как учебные среды. СБЗ обеспечивают информационно-справочное консультирование пользователей об изучаемых предметных областях и решаемых в них задачах. Инструментальными средствами, используемыми для их создания, является оболочка.

Статические банки знаний (СБЗ) могут быть определены как интеллектуальные информационные системы, реализующие запросно-ответное отношение между языком запросов L_q и языком ответов L_a [Цаленко, 1989] путем поиска и логической обработки знаний о моделируемых в их базах предметных областях (ПО).

Основными компонентами СБЗ являются: интерфейс пользователя, механизм обработки знаний и база знаний. Запросы, поступающие на вход СБЗ, анализируются с целью запуска на выполнение специализированных процедур обработки знаний, составляющих механизм обработки знаний. В результате выполнения этих процедур над базами знаний СБЗ формируются выдаваемые пользователям ответы [Миронов, 2004].

1. Система представления и обработки знаний

Основной проблемой, решаемой в процессе создания СБЗ, явилась проблема разработки формальных средств представления и обработки знаний [Миронов, 2006], [Миронов, 2007], т.е. разработки системы представления знаний (СПЗ) для определенного класса ПО. Таким классом ПО, на который ориентированы СБЗ, являются языки процедурного программирования.

Содержанием таких ПО являются знания об объектах и их состояниях, действиях и их выполнении над объектами (событиями), а также о процессах, под которыми понимаются упорядоченные совокупности событий и/или других процессов, реализуемых в целях решения тех или иных задач (проблем). учебный информационный справочный консультирование

СПЗ, используемая для представления и обработки знаний о таких ПО, определяется соответствующими моделью представления знаний и моделью обработки знаний и может быть формально определена следующим образом:

_fs = MR_fs, MP_fs,

где MR_fs модель представления знаний; MP_fs модель обработки знаний.

Модель представления знаний MR_fs, в свою очередь, может быть формально представлена тройкой:

MR_fs = E_fs, R_fs, FRM_fs,

где E_fs конечное множество типов сущностей; R_fs конечное множество типов отношений на E_fs; FRM_fs конечное множество типов фреймов, используемых для представления знаний о соответствующих сущностях.

Множество типов сущностей E_fs включает в себя такие сущности, как объекты, состояния объектов, действия, выполнения действий (события) и процессы.

Множество типов отношений R_fs включает в себя характеристики сущностей того или иного типа, а также связи между сущностями как одного, так и различных типов.

Модель обработки знаний MP_fs может быть определена как совокупность моделей обработки знаний, реализуемых специализированными процедурами механизма обработки знаний.

Представление знаний в СБЗ осуществляется путем моделирования в их базах знаний понятийных (определяющих знания о понятиях ПО) и проблемных (определяющих знания о решаемых в ПО задачах) компонентов ПО.

2. Представление и обработка знаний о понятийных компонентах предметных областей

Содержанием понятийных компонентов таких ПО, как ФС, являются знания об объектах и их состояниях, а также о действиях и их реализациях (выполнении над объектами), называемых событиями.

Представляются знания о понятийных компонентах таких ПО с помощью специальных фреймов, предназначенных для описания перечисленных выше сущностей.

Фрейм-прототип, используемый для описания сущностей того или иного типа, определяется совокупностью характеристик и отношений, присущих сущностям этого типа. Набор таких фреймов-прототипов позволяет моделировать понятийные компоненты ПО в виде структурированных семантических сетей, определяемых конечными множествами фреймов-экземпляров.

Фрейм-прототип, используемый для описания объектов ПО, определяется совокупностью характеристик объектов и отношений на их множестве. Основными слотами, входящими в данный фрейм, являются: определение, структура, часть, целое, экземпляр, подпонятие, надпонятие.

Фрейм-прототип, используемый для описания состояний объектов ПО, определяется совокупностью характеристик состояний объектов и отношений на их множестве. Основными слотами, входящими в данный фрейм, являются: определение, субъект, локализация, модификация.

Фрейм-прототип, используемый для описания действий ПО, определяется совокупностью характеристик действий и отношений на их множестве. Основными слотами, входящими в данный фрейм, являются: определение, подпонятие, надпонятие.

Фрейм-прототип, используемый для описания событий ПО, определяется совокупностью характеристик событий и отношений на их множестве. Основными слотами, входящими в данный фрейм, являются: определение, действие, объект, субъект, цель, условие, результат, подпонятие, надпонятие, причина, следствие, раньше, позже, одновременно, однотипно, разнотипно, эквивалентно, противоположно.

Целью обработки знаний о понятийных компонентах ПО в СБЗ является формирование ответов на запросы пользователей следующих двух видов:

- запросы, ответы на которые требуют спецификации характеристик сущностей;

- запросы, ответы на которые требуют вычисления отношений на множестве сущностей.

К первому виду запросов относятся запросы о значениях различных характеристик объектов и событий. Формирование ответов на запросы данного вида реализуется с помощью специализированной процедуры спецификации (VAL-процедуры) путем выполнения поиска значений тех или иных слотов во фреймах-экземплярах базы знаний.

Ко второму виду запросов относятся запросы о сравнении событий, о связях между событиями и об анализе событий. Такие запросы предполагают вычисление различных отношений на множестве событий, а также на множестве их субъектов. Формирование ответов на такие запросы осуществляется посредством вывода на знаниях, реализуемого путем выполнения продукционных правил вида:

A₁, A₂, …, A_n B₁, B₂, …, B_m.

Здесь A₁, A₂, …, A_n - основания; B₁, B₂, …, B_m - следствия; - символ продукции.

Вывод ответов на запросы о сравнении событий осуществляется специализированной процедурой сравнения (CMP-процедурой) по следующим правилам:

1.Если результат реализации события Е_i идентичен результату реализации события Е_j, то событие Е_i эквивалентно событию Е_j.

2.Если цель реализации события Е_i симметрична цели реализации события Е_j, то событие Е_i противоположно событию Е_j.

3.Если действия и объекты, определяющие события E_i и E_j идентичны, то субъекты этих событий однотипны.

4.Если действия или объекты, определяющие события Е_i и Е_j различны, то субъекты этих событий разнотипны.

Вывод ответов на запросы о связях между событиями осуществляется специализированной процедурой ассоциирования (ASS-процедурой) по следующим правилам:

1.Если результат реализации события Е_i согласуется с условиями реализации события Е_j, то событие Е_i первично и всегда предшествует событию Е_j.

2.Если условия реализации события Е_i согласуются с результатом реализации события Е_j, то событие Е_i вторично и всегда следует за событием Е_j.

Вывод ответов на запросы об анализе событий осуществляется специализированной процедурой анализа (ANS-процедурой) по следующим правилам:

1.Если условия реализации события Е_i согласуются с результатами реализации события Е_j, то событию Е_i должно предшествовать событие Е_j.

2.Если результат реализации события Е_i согласуется с условиями реализации события Е_j, то за событием Е_i может следовать событие Е_j.

3. Представление и обработка знаний о проблемных компонентах предметных областей

Использование такого фрейма позволяет описывать планы решения различных задач и моделировать проблемные компоненты ПО в виде древовидных сетей редукции, определяемых конечными множествами экземпляров фреймов-сценариев.

Вершины высшего иерархического уровня таких сетей соответствуют целевым задачам, решаемым в ПО. На более низких иерархических уровнях располагаются вершины, соответствующие подзадачам, которые необходимо решить для получения решений целевых задач, включая вершины соответствующие тривиальным (элементарным) задачам, решения которых известны и сводятся к упорядоченным совокупностям событий.

Для описания планов решения целевых задач тех или иных семейств, в которые они группируются, используются единые совокупности подзадач, которые совместно с целевыми задачами организуются таким образом, что любая целевая задача будет решена в том случае, если будут решены соответствующие ей подзадачи (т.е. любая целевая задача семейства, в конечном счете, будет решена в том случае, если она сводима к элементарным подзадачам).

Такой подход, в сочетании с возможностями преобразования планов решения одних подзадач в планы решения других, однотипных, позволяет достаточно эффективно решать вопросы представления и обработки знаний о проблемных компонентах ПО в СБЗ. Основной целью обработки знаний о проблемных компонентах ПО в СБЗ является (помимо автоматической выдачи общей информации о той или иной задаче) формирование ответов на запросы пользователей, требующие синтеза планов действий для решения тех или иных задач (т.е. формирования упорядоченных совокупностей событий, обеспечивающих эти решения). Формирование ответов на запросы данного вида осуществляется посредством вывода на знаниях, реализуемого путем выполнения определяемых с помощью экземпляров фреймов задач редукционных правил вида:

P P₁, P₂,…, P_n.

Здесь P - задача; P₁, P₂,…, P_n - упорядоченная совокупность подзадач, к решению которых сводится решение задачи P; - символ редукции.

Синтез плана действий для решения некоторой задачи осуществляется процедурой планирования (SLV-процедурой) путем редуцирования всех необходимых для этого подзадач вплоть до уровня элементарных, которым соответствуют упорядоченные совокупности событий. Сами синтезируемые планы представляют собой упорядоченные композиции таких совокупностей.

Выполняемые в ходе редуцирования преобразования планов решения одних подзадач в другие (если это предусмотрено) реализуются путем выполнения трансформационных правил вида:

C [C,] C₁, C₂, …, C_k.

Здесь C - элемент плана решения задачи; C₁, C₂,…, C_k - упорядоченная совокупность элементов, которыми дополняется или на которые заменяется элемент C (квадратные скобки указывают на отсутствие, в случае замены, заключенного в них элемента); - символ трансформации.

Для пояснения вышеизложенного рассмотрим пример выполнения синтеза планов действий для решения задач P₁, P₂, P₃, семейство которых описывается следующей системой редукционных и продукционных правил:

P₁ P₁₁, P₁₂, P₁₃

P₂ P ₂₁, P₁₂, P₁₃

P₃ P₂₁, P₁₂, P₃₃

P₁₁ E₁, E₂

P₁₂ E₃

P₁₃ E₄, E₅

P₂₁ P₁₁ { E₂ E₂, E₆ }

P₃₃ P₁₃ { E₄ E₄, E₇ }.

Здесь символ “”, фигурирующий в правых частях двух последних выражений, указывает на необходимость преобразования планов решения задачи P₁₁ и задачи P₁₃ путем выполнения трансформационных правил, определенных в фигурных скобках.

Цепочка вывода, выполняемого в целях синтеза плана действий для решения задачи P₁, выглядит следующим образом:

P₁ (P₁₁, P₁₂, P₁₃) (E₁, E₂, P₁₂, P₁₃) (E₁, E₂, E₃, P₁₃) (E₁, E₂, P₁₃, E₄, E₅).

Цепочка вывода, выполняемого в целях синтеза плана действий для решения задачи P₂, будет выглядеть следующим образом:

P₂ (P₂₁, P₁₂, P₁₃) (P₁₁ , P₁₂, P₁₃) (P₁₁ , E₃, P₁₃) (P₁₁ , E₃, E₄, E₅) (E₁, E₂, E₆, E₃, E₄, E₅)

И, наконец, цепочка вывода, выполняемого в целях синтеза плана действий для решения задачи P₃, будет выглядеть так:

P₃ (P₂₁, P₁₂, P₃₃) (P₁₁ , P₁₂, P₃₃) (P₁₁ , E₃, P₃₃) (P₁₁ , E₃, P₁₃ ) (E₁, E₂, E₆, E₃, P₁₃ ) (E₁, E₂, E₆, E₃, E₄, E₇, E₅)

Элементы в заключительных выражениях цепочек, как можно видеть, представляют собой упорядоченные совокупности событий, вошедшие в синтезированные планы действий.

4. Практическое применение СБЗ

СБЗ нашли свое применение в обучении в качестве учебных сред [Миронов, 2008]. Организация процесса изучения той или иной ПО, с помощью СБЗ, базируется на применении подхода, сущность которого состоит в том, что вся информация об изучаемой ПО ассоциируется со специально выделенными в ней базовыми объектами (т.е. сущностями, определяющими основное содержание этой ПО).

О каждом из таких объектов в базе знаний системы организуется необходимая информация, представляемая с помощью соответствующих фреймов-экземпляров.

В процессе изучения ПО пользователь обращается к системе за этой, а также за логически выводимой из нее информацией, путем формулировки различных запросов относительно базовых объектов ПО. Ответы на эти запросы формируются в результате выполнения соответствующих процедур механизма обработки знаний.

Для такой ПО, как язык процедурного программирования пользователь, на начальный момент его изучения, интересуется общими сведениями о языке, сведениями о его алфавите, элементарных конструкциях (константах, переменных, и т.п.). Он, в соответствии с этим, в ходе диалога с системой, формулирует запросы относительно этих объектов. Ответы на такие запросы формируются системой в результате поиска информации в соответствующих фреймах-экземплярах базы знаний.

Далее пользователь начинает изучать операторы языка программирования и здесь у него, кроме потребности ознакомления с операторами, появляется необходимость в их сравнении, выявлении связей между их выполнением, анализе их выполнения. Пользователь формулирует запросы о вычислении интересующих его отношений между теми или иными операторами. Система, в ответ на такие запросы, выдаёт искомую информацию в результате выполнения специализированных процедур вычисления различных отношений.

При переходе к изучению программ, позволяющих решать те или иные задачи, пользователь формулирует запросы, касающиеся реализации этих программ на изучаемом языке программирования. Ответы на такие запросы формируются системой в результате выполнения процедуры планирования решения задач, обеспечивающей синтез текстов интересующих пользователя программ.

5. Инструментальные средства создания СБЗ

В работе описан подход к организации, реализации и применению СБЗ - семейства интеллектуальных информационных систем, нашедших свое практическое применение в обучении в качестве учебных сред. Дано краткое описание инструментальных средств и технологии создания этих систем.

Список литературы

1. [Цаленко, 1989] Цаленко М.Ш. Моделирование семантики в базах данных. - М.: Наука, 1989.

2. [Миронов, 2004] Миронов А.С. Статические банки знаний: организация, реализация и применение. Труды 9-й национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием “КИИ-2004”. В 2-х.т. М.: Физматлит. 2004. Т.2.

3. [Миронов, 2006] Миронов А.С. Статические банки знаний: организация, функционирование, инструментальное обеспечение и применение // Программные продукты и системы. 2006. № 1.

4. [Миронов, 2007] Миронов А.С. Информационное моделирование предметных областей в статических банках знаний и процедурная обработка представляемой информации. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007. № 5.

5. [Миронов, 2008] Миронов А.С. Статические банки знаний как программы учебного назначения // Материалы 14-й международной конференции “Современное образование: содержание, технологии, качество”. В 2-х.т. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ. 2008. Т.1.

Размещено на Allbest.ru