Нечеткие и гибридные нейронные сети

Мягкая экспертная система

Рассмотрим архитектуру и основные структурно-функциональные решения мягкой экспертной системы (МЭС). Для определения МЭС сопоставим понятия нечеткой и мягкой экспертных систем. В описании архитектуры МЭС будем использовать три признака: способ извлечения знаний; представление знаний; обработку знаний. Перечисленные признаки создают общую "координатную" сетку описания.

Определение мягкой экспертной системы. Сравнение нечеткой и мягкой экспертных систем

Нечеткие экспертные системы (ЭС) используют представление знаний в форме нечетких продукций и лингвистических переменных. Основу представления лингвистической переменной составляет терм с функцией принадлежности. Способ обработки знаний в нечетких ЭС - это логический вывод по нечетким продукциям. Особенностью нечеткой ЭС является способ извлечения функций принадлежности, который сводится либо к статистическим методам построения, либо к методу экспертных оценок. Мягкой ЭС (МЭС) будем называть нечеткую ЭС, которая обладает следующими особенностями:

• использует статистические данные, которые интерпретирует как обучающие выборки для нечетких нейронных сетей;
• представляет знания в виде лингвистических переменных (функций принадлежности - ФП), нечетких продукций и обученных нейронных сетей. Редукция множества нечетких продукций,настройка ФП и базы правил выполняется с помощью генетических алгоритмов (ГА).

Мягкими называют вычисления, сочетающие теорию нечетких систем, нейронные сети, вероятностные рассуждения и генетические алгоритмы, и обладающие синергическим эффектом; следовательно, мягкой экспертной системой называют ЭС, сочетающую перечисленные теории ради того же эффекта взаимного усиления.

Рассмотрим возможные применения МЭС в автоматизированном проектировании. Обобщенной моделью проектирования является иерархически-блочный метод, сущность которого сводится к декомпозиции функций с последующим выделением иерархий систем и подсистем. Проектируемая система формируется с помощью синтеза таких подсистем. Анализ в ходе автоматизированного проектирования обычно заключается в том, что необходимо рассмотреть условия эксплуатации будущей системы или ее окружения, которое является сложной системой (например, для экономических информационных систем окружающая среда - это социально-экономическая среда). Кроме анализа окружающей среды в ходе проектирования приходится выполнять анализ результатов физических или численных экспериментов и имитационного моделирования. Можно выделить два основных принципа экспертной деятельности в ходе проектирования.

1. Исходные данные для анализа представляются в виде качественного описания структурно-функционального решения и в виде совокупности временных рядов системных переменных окружения.

Принцип "конструктивной неопределенности" утверждает, что точность и смысл противоречат друг другу, начиная с некоторого момента анализа. Если в технике важными являются все более точные измерения, то в ходе анализа эксперт отказывается от точных цифр в пользу нечетких, но содержательных оценок, которые осмыслены и позволяют принять проектное или управленческое решение.

Мягкая экспертная система должна предоставить инструментальную и информационную среду для экспертной деятельности в ходе проектирования. Инструменты для разработки МЭС должны представлять собой совокупность различных программных продуктов, объединенных логикой работы. Покажем, что МЭС, являющаяся инструментальной средой проектировщика, позволяет выполнить в автоматизированном режиме все этапы экспертной деятельности. Если рассматривать экспертную деятельность как управление объектом, то инструментарий экспертизы можно использовать как систему управления, а именно - нечеткий контроллер.

Представление знаний в мягкой экспертной системе. Содержание баз знаний и данных мягкой экспертной системы

Если использовать нечеткую НС на этапе извлечения знаний, то, кроме функций принадлежности и нечетких продукций, порождается совокупность обученных НС, которые входят в базу знаний МЭС. Оптимизация (редукция) множества извлеченных правил выполняется на основе генетического алгоритма.

База знаний МЭС должна содержать следующие части:

• функции принадлежности;
• нечеткие продукции;
• обученные нечеткие нейронные сети;
• процедуры интерпретации хромосом генетических алгоритмов;
• функции оптимальности.

Рассмотрим проблему представления перечисленных составных частей в компьютерных интеллектуальных системах. Если функция принадлежности характеризуется такими математическими свойствами, как непрерывность, выпуклость (унимодальность), то функция принадлежности может быть представлена параметризованной функцией формы. Наибольшее распространение получили четыре вида функций формы: треугольная, трапециевидная, колоколообразная и сигмоидальная, которые определяются тройкой, четверкой и двойкой параметров соответственно. Некоторые операции нечеткой алгебры сохраняют унимодальность при использовании трапециевидного представления функций принадлежности, поэтому результаты операции также являются четверкой параметров. Представление нечетких продукций упрощается в связи с тем, что порядок обработки нечетких продукций не важен и не влияет на ход вывода результата. Представление нечеткой нейронной сети является более сложной проблемой, так как описание структуры ННС не имеет смысла без нейроимитатора соответствующей архитектуры нечетких нейронных сетей, т.е. нейроимитатор определяется как составляющая часть механизма вывода мягкой ЭС. Для организации хранения знаний МЭС можно использовать как СУБД, так и специальные форматы.