14.2. Извлечение знаний

14.2.1. Источники приобретения знаний

Рассмотрим типичные источники знаний.

Оператор. Несмотря на указанные выше трудности извлечения знаний из оператора, он является главным источником знаний.

Система наблюдения и контроля. Этот источник используется совместно с оператором в процессе интервью с ним. Если система наблюдения и контроля достаточно развита, то наблюдение с ее помощью за поведением сети в реальном масштабе времени делает интервью с оператором более легким, выразительным и эффективным.

Математическая модель поведения. Математические модели поведения физической сети (в случае сети распределения и подачи воды — это гидравлическая модель) реализуются в виде компьютерных программ. Путем экспериментов с этими программами извлекаются дополнительные знания о реакциях сети в ответ на определенные воздействия извне; проверяются знания эксперта, извлеченные в ходе интервью с ним; формируются правила и стратегии вывода и т.п.

Архив данных. В процессе наблюдения за поведением любой реальной среды осуществляется накопление и архивация данных, характеризующих ее поведение. В случае сети распределения и подачи воды — это телеметрическая информация от датчиков давления и расхода воды, сведения о затратах энергии, данные об уровне воды в резервуарах и т.п. Данные в архиве структурированы по часам, дням, месяцам и доступны для анализа в процессе извлечения и проверки знаний.

За работой сети распределения и подачи воды наблюдает группа операторов, которые, если это необходимо, могут вмешиваться в ее работу. Они ответственны за процесс управления сетью распределения и подачи воды, экономию и качество воды, безопасную работу сети. Главная задача агента состоит в том, чтобы помочь оператору принять правильные решения. Операторы могут иметь многолетний опыт эксплуатации сети распределения и подачи воды, хорошо знают ее поведение в различных ситуациях, типичные причины возможных отказов и мероприятия по их устранению. Поэтому

одним из источников знаний о сети являются именно операторы. Источником более тонких знаний о поведении сети являются инженеры, обслуживающие оборудование сети. Иными словами, весь персонал, участвующий в эксплуатации, управлении, ремонте сети, может служить источником знаний о ее поведении. Этот источник главный, но не единственный. Все, кто является источником знаний, называются экспертами.

Процесс извлечения знаний не является хорошо определенным и однозначным. Он является скорее искусством и набором приемов, чем наукой. При извлечении знаний из персонала, обслуживающего сеть, используется интервью. Того, кто занимается извлечением знаний (и не только из персонала), будем называть аналитиком.

Одна из самых больших проблем, связанных с извлечением знаний на основе интервью, состоит в неточности, приблизительности, а иногда и ошибочности извлекаемых знаний. Источником этих неточностей чаше всего является эксперт, для которого бывает трудно неформально на естественном языке выразить те знания, обладателем которых он является, а другого способа их выражения он не имеет. Вследствие этого довольно часто эксперты дают ответы о своих действиях в той или иной ситуации, не соответствующие их фактическому поведению. Типичная ситуация — это когда аналитик не знаком с областью знаний эксперта, а эксперт не знаком с методами искусственного интеллекта.

Идеальной является ситуация, когда экспертом и аналитиком является одно лицо, хотя это случается крайне редко. В условиях разнополюсных знаний эксперта и аналитика процесс извлечения знаний является трудоемкой и длительной процедурой.

Другая проблема, связанная с процессом извлечения знаний, состоит в субъективности аналитика. Ответы эксперта интерпретируются и преобразовываются аналитиком в понятную ему формальную онтологию. Этот процесс преобразования субъективен. Аналитик может неправильно понять или извратить знания эксперта, что впоследствии приведет к ошибочной работе агента.

К сожалению, перечисленные проблемы никогда не могут быть разрешены полностью, поскольку процесс извлечения знаний сильно зависит от специфических особенностей среды. Накопление человечеством формальных онтологий может сильно помочь в уходе от этих проблем. Целью аналитика является не только извлечение знаний, но и представление их в виде формальной онтологии. Процесс получения знаний от эксперта чаще всего проходит путем многократных интервью с экспертом на естественном языке. Аналитик обрабатывает эти знания, формализуя их. Будем полагать, что аналитик проводит интервью на естественном языке, а формализацию результатов интервью представляет в виде схем ситуаций. Схемой ситуаций называется ориентированный граф с тремя типами вершин: вершин ситуаций, восприятия, реакции. Вершины последнего типа позволяют образовывать некоторую иерархию схем и разбивать процесс извлечения знаний по частям.

14.2.2. Построение схем ситуаций

Построение каждой схемы ситуаций состоит из следующих простых шагов.

Вводится круглая залитая вершина начальной ситуации (начальная вершина) с уникальным индексом.

Далее итеративно из каждой вершины ситуации, начиная с исходной, проводятся дуги в овальные вершины восприятия, вводимые по результатам интервью. Каждая из этих овальных вершин соответствует одному из альтернативных высказываний, истинность которого в данной ситуации следует установить. Внутри этой вершины записывается соответствующее высказывание в виде формулы предикатов первого порядка а.

Из каждой овальной вершины восприятия проводится единственная дуга в прямоугольную вершину реакции, внутри которой записывается действие

Из прямоугольной вершины реакции выходит единственная дуга, направленная в какую-либо вновь вводимую незалитую или существующую вершину ситуации данной схемы ситуации или в незалитую круглую начальную вершину обозначающую начальную ситуацию другой схемы ситуаций. В последнем случае рядом с этой вершиной записывается на естественном языке название соответствующей схемы ситуаций, имеющей эту вершину ситуации (залитую круглую) в качестве начальной. Из незалитой круглой вершины, соответствующей начальной ситуации другой схемы, дуг не выходит.

Любой путь, ведущий от вершины ситуации 5 через овальную вершину с формулой а действие в прямоугольную вершину с действием к вершине ситуации 5, представляется парой формул

Напомним, что запись 5 в первой из этих формул является сокращенной записью атома

а затем переход во второй формуле является функцией.

Таким образом, схема ситуаций является не чем иным, как некоторой формой представления формул. Схема ситуаций используется для извлечения знаний путем постепенного ее построения в процессе интервью, начиная от начальной вершины. Извлечение знаний в этом случае состоит в получении ответов на следующие вопросы и построении по результатам ответа соответствующей схемы ситуаций.

Какова начальная ситуация для данной схемы ситуаций?

Если мы находимся в некоторой ситуации (вершине ситуации), то истинность каких альтернативных высказываний а следует проверить в этой ситуации?

Если мы установили истинность высказывания а, соответствующего какой-либо вершине восприятия, то какое действие теперь следует совершить?

Если мы совершили действие соответствующее какой-либо вершине реакции, то в какую ситуацию мы после этого попадем? Если это начальная ситуация какой-либо схемы ситуаций, то каково ее название? В результате ответа на каждый из этих вопросов может быть построен очередной участок схемы ситуаций. Схема ситуаций может быть очень большой и избыточной, схем может быть несколько. Глубина схемы может зависеть от начальной ситуации, с которой начинается процесс ее построения. Число вершин и дуг схемы характеризует сложность процесса извлечения знаний. Эта сложность может быть уменьшена рядом приемов. Один из них — это объединение вершин, все возможные пути из которых одинаковы, и переход, таким образом, от дерева к графу.

Рассмотрим процедуру извлечения аналитиком знаний (построения схем ситуаций) о поведении и управлении типичной сетью распределения и подачи воды.

14.2.3. Сеть распределения и подачи воды

Упрощенно сеть распределения и подачи воды можно рассматривать как разветвленную сеть трубопроводов разного диаметра, в определенных узлах которой находятся так называемые контрольные точки, давление воды в которых может быть измерено. Для нашей сети таких контрольных точек 12. В других узлах этой сети находятся насосные станции, каждая из которых содержит некоторое число насосов, подающих воду из резервуара, соответствующего станции, в сеть. Число таких станций — 12. Большинство насосов станций работает с постоянной частотой (скоростью) вращения. Только две насосные станции (2 и 6) имеют возможность автоматического регулирования частоты вращения (скорости насосов). Автоматическое регулирование позволяет поддерживать постоянное давление в определенных контрольных точках сети путем изменения скорости насосов. В нашем случае такая точка единственная — 4. Потребителями воды являются жители города, три тепловые станции и различные предприятия. Эти знания о сети довольно скудные. Опустим важный, но простой этап перехода от определений и понятий на естественном языке к термам и атомам языка логики предикатов первого порядка. Введем некоторые из них сразу. Заметим только, что в реальной ситуации процесс введения необходимых термов и атомов не является единовременным и осуществляется в процессе построения схемы ситуаций.

14.2.4. Термы и атомы

Как правило, эксперт не знаком с терминологией логики предикатов первого порядка, и формирование термов, атомов и формул осуществляется аналитиком по результатам интервью с экспертом на естественном языке. Аналитик, прежде чем определить необходимые термы и атомы, должен

ознакомиться с принципами работы сети, терминологией, используемой экспертом. После этого он сам выбирает термы и атомы, которыми будет пользоваться. Введем некоторые их них.

Переменные и константы. Переменная точка, областью значений которой является множество номеров от до контрольных точек сети распределения и подачи воды.

Переменная станция, областью значений которой является множество номеров станций от Станция до Станция

Переменная значение_давления, принимающая значения Высокое, Низкое, Нормальное.

Переменная значение скорости, принимающая значения Высокая, Низкая, Нормальная.

Переменная значение_уровня, принимающая значения Высокий, Низкий, Нормальный.

Атомы. Атом давление (точка, давления). Этот атом истинен, если давление в контрольной точке точка принимает одно из значений давления:

Функция. Функция насосная станция (точка) задается табл. 14.1. Аргументом этой функции является одна из контрольных точек, а значением — насосная станция, наиболее влияющая на давление в данной точке.

Перейдем теперь к формированию схем ситуаций.

14.2.5. Первичная схема ситуаций

Построение схем ситуаций начинается с первичной схемы. Выбирается начальная ситуация и эксперту задается вопрос: «Если мы находимся в ситуации то истинность каких альтернативных высказываний следует проверить в этой ситуации?» Ответом на этот вопрос является перечень следующих трех альтернативных высказываний на русском языке, подлежащих проверке на истинность или ложность:

Наличие хотя бы одной контрольной точки, в которой давление высокое или низкое.

Наличие хотя бы одной насосной станции, скорость вращения регулируемых насосов которой высокая или низкая.

Наличие хотя бы одного резервуара, уровень воды в котором низкий.

После формализации этих ответов получим часть схемы ситуаций, показанную на рис. 14.2.

Таблица 14.1 (см. скан)

Рис. 14.2. Исходный шаг в построении первичной схемы ситуаций

Затем следует продолжить опрос с учетом уже полученных ответов. Типы возможных вопросов перечислены ранее при рассмотрении схем ситуаций. В упрошенном виде на русском языке эти вопросы можно сформулировать следующим образом.

Если наличие хотя бы одной контрольной точки, в которой давление высокое или низкое, установлено, то что делать дальше?

Если наличие хотя бы одной насосной станции, скорость регулируемых насосов которой высокая или низкая, установлено, то что делать дальше?

Если наличие хотя бы одного резервуара, уровень воды в котором низкий, установлено, то что делать дальше?

Возможными ответами на эти вопросы могут быть соответственно:

Регулировать давление. Схема ситуаций для регулирования давления в контрольных точках.

Регулировать скорость. Схема ситуаций для регулирования скорости насосов.

Регулировать уровень. Схема ситуаций для регулирования уровня резервуаров.

Эти ответы позволяют завершить первичную схему ситуаций на рис. 14.2. В результате получим схему, показанную на рис. 14.3.

Рис. 14.3. Первичная схема ситуаций

14.2.6. Схема ситуаций для регулирования давления в контрольных точках

Построение схемы ситуаций для регулирования давлений в контрольных точках начинается, как и в случае первичной схемы, с начальной ситуации но уже предварительно определенной в первичной схеме ситуаций. После этого следует вопрос к эксперту: «Если мы находимся в ситуации то истинность каких альтернативных высказываний следует проверить в этой ситуации?» Ответ может быть следующим.

Наличие контрольной точки, давление в которой высокое и не ниже, чем во всех остальных контрольных точках.

Наличие контрольной точки, давление в которой низкое и не выше, чем во всех остальных контрольных точках.

После формализации этих ответов получим часть схемы ситуаций для регулирования давления в контрольных точках, показанную на рис. 14.4.

Рис. 14.4. Начальный шаг в построении схемы ситуаций для регулирования давлений в контрольных точках ситуаций

Далее следует продолжить опрос с учетом уже полученных ответов. На русском языке дальнейшие вопросы можно сформулировать следующим образом.

Если установлено наличие контрольной точки, давление в которой высокое и не ниже, чем во всех остальных контрольных точках, то что следует делать дальше?

Если установлено наличие контрольной точки, давление в которой низкое и не выше, чем во всех остальных контрольных точках, то что следует делать дальше?

Ответами на них могут быть соответственно следующие:

Если установлено наличие контрольной точки, давление в которой высокое и не ниже, чем во всех остальных контрольных точках, то выключить какой-либо из включенных насосов на насосной станции, оказывающей наибольшее влияние на найденную точку, и перейти к начальной ситуации.

Если установлено наличие контрольной точки, давление в которой низкое и не выше, чем во всех остальных контрольных точках, то включить какой-либо из выключенных насосов на насосной станции, оказывающей наибольшее влияние на найденную точку, и перейти к начальной ситуации.

После формализации этих ответов получим окончательную схему ситуаций для регулирования давления в контрольных точках, показанную на рис. 14.5.

Теперь можно перейти к построению схемы ситуаций для регулирования скорости насосов.

14.2.7. Схема ситуаций для регулирования скорости насосов

Скорость вращения насосов, которая регулируется автоматически, является важным показателем, знание которого позволяет принимать решения о

Рис. 14.5 Схема ситуаций для регулирования давления в контрольных точках

включении или выключении тех или иных насосов. Мы не будем больше описывать те вопросы аналитика и ответы эксперта, на основании которых строится схема ситуаций. Возможность сделать это будет предоставлена читателю в разделе «Вопросы и упражнения». Здесь же приведем результаты интервью в описательной форме на естественном языке и представим соответствующие схемы ситуаций.

Измеряется частота вращения (скорость) насосов только одной насосной станции 6. Для принятия решений недостаточно знать, какова эта частота вращения: нормальная, низкая или высокая. Необходимо знать характер изменения частоты вращения и потребление населением воды. Характер потребления воды можно представить графиком потребления, типичным для данной сети и полученным путем многократных наблюдений. Такой график показан на рис. 14.6.

Сведем все полученные в процессе интервью ответы эксперта в табл. 14.2.

На основании результатов интервью, сведенных в эту таблицу, получаем схему ситуаций, показанную на рис. 14.7.

14.2.8. Схема ситуаций для регулирования уровня воды и резервуарах

Вода поступает в сеть из резервуаров. Резервуары наполняются с помощью специальных насосов первичной подачи воды. Включением и выключением этих насосов управляет специальная автоматика. Если уровень воды в резервуарах низкий, то соответствующие насосы включаются на заполнение резервуаров. Когда уровень воды высокий — насосы выключаются. Обычно операторы не управляют этими процессами. Однако может оказаться, что потребление воды из резервуаров выше поступления. Поэтому оператор обязан предотвращать ситуацию, когда какой-либо из резервуаров окажется пустым. Делает он это выключением насосов станции потребления,

(кликните для просмотра скана)

Рис. 14.7. Схема ситуаций для регулирования скорости насосов

забирающих воду из резервуара, и включением вместо выключенных других насосов станции замещения. Станции замещения определяются заранее эмпирически, расчетами или с помощью моделирования сети. Введем функцию станция замещения (станция потребления), значением которой является номер замещающей станции, а аргументом — номер потребляющей станции. Зададим эту функцию в виде табл. 14.3.

Схема ситуаций регулирования уровня воды в резервуарах показана на рис. 14.8.

Итак, построение схем ситуаций завершено. Перейдем к следующему этапу построения системы.