Компоновка доски объявлений в среде Erasmus

Практически все компоненты системы с доской объявлений имеют ярко выраженную модульную структуру. Это в равной мере относится и к структурам данных самой доски объявлений, и к источникам знаний, и к средствам управления режимом работы системы. Например, существует множество способов представления элементов данных доски объявлений, в источниках знаний можно использовать множество разных форматов представления знаний (порождающие правила, программный код на языке LISP и т.п.), по-разному можно настраивать процесс активизации источников знаний, планирования выполнения заявок.

Вслед за средами разработки ВВ1 и GBB мы рассмотрим в этом разделе еще одну систему — ERASMUS, которая разработана в компании Boeing на основе опыта, полученного при работе с ранее созданной системой с доской объявлений ВВВ (Boeing Blackboard System). Система ВВВ разрабатывалась в среде ВВ1, а элементы данных в ней представляли собой объекты языка КЕЕ (см. об этом языке в главе 17). Система была задумана как инструментальная среда, предоставляющая в распоряжение разработчика множество самых различных средств, которые можно использовать в прикладной системе в разных сочетаниях. Фактически ERASMUS является развитием ВВВ, причем при модернизации преследовались следующие цели [Байт et al., 1989].

(1) Конфигурация системы должна настраиваться пользователем.

(2) Должна обеспечиваться максимально высокая производительность, возможная при заданной конфигурации.

(3) Система должна допускать наращивание.

(4) Система должна поддерживать множество схем представления объектов доски объявлений.

Специалисты фирмы Boeing пришли к выводу, что многие приложения, с которыми им приходится иметь дело, достаточно хорошо вписываются в подход, который был использован в среде ВВ1. По образу и подобию ВВ1 в фирме была разработана среда ВВВ, но после нескольких лет ее эксплуатации сложилось мнение, что использованная в ней схема представления и управления накладывает чрезмерные ограничения. Поэтому, например, при создании на основе ВВВ системы планирования производства Phred пришлось дополнительно разрабатывать механизм поддержки некоторых фаз решения проблем, подобный описанному в главе 13. Оказалось также, что на некоторых фазах процесса можно организовать более эффективное планирование активизации источников знаний, допустив исполнение нескольких заявок. При работе с другой экспертной системой, Cockpit Information Manager, оказалось, что нужно повысить скорость поиска объектов на доске объявлений. Реализация элементов данных доски объявлений в виде объектов языка КЕЕ не позволяет получить максимальную производительность системы, хотя в системе GBB этого удалось достичь за счет использования изощренного метода индексации при извлечении объектов из доски объявлений.

Разработчики системы ERASMUS охарактеризовали ее как "генератор систем с доской объявлений", хотя больше ей подходит характеристика "система с конфигурируемой архитектурой" (configurable architecture). Возможность по-разному компоновать структуру системы, создаваемой в этой среде, позволяет оптимально настроить ее архитектуру в соответствии с характеристиками конкретного приложения.

Среда ERASMUS поддерживает четыре опции конфигурации.

(1) Blackboard (доска объявлений). Пользователь может выбрать одну из четырех структур данных для доски объявлений в создаваемой системе, в том числе и формат, подобный GBB, или на основе объектов языка КЕЕ.

(2) KS structure (структура источника знаний). Источники знаний могут быть реализованы в формате языка FLAVOR (см. об этом языке в главе 7), а записи активизации источников знаний представляют собой экземпляры объектов этого языка. Пользователь может специфицировать предусловия активизации источников знаний, условия устранения, при выполнении которых запись активизации источника знаний удаляется из списка выбора, фазы процесса решения проблемы и т.п.

(3) Control (режим управления). Пользователь может выбрать режим управления, аналогичный используемому в системе ВВ1, либо режим, ведомый эвристиками, назначающими веса записям активизации источников знаний.

(4) Runtime (опции времени выполнения). Эти опции позволяют пользователю выбрать механизм формирования пояснений, трассировки и различные средства отладки, которые должны быть включены в состав компонуемой прикладной экспертной системы.

Таким образом, модульная организация систем с доской объявлений позволяет разработчикам гибко варьировать структуру конкретной системы с такой архитектурой, добиваясь оптимального соответствия между функциональными возможностями и производительностью системы.

Организация параллельных вычислений в системах CAGE и POLIGON

При анализе работы систем с доской объявлений сам собой напрашивается вопрос, а нельзя ли, учитывая наличие нескольких независимых источников знаний, общающихся друг с другом через глобальную структуру данных, организовать их параллельную работу. Очевидно, что параллелизм можно внедрить на разных уровнях систем с такой архитектурой:

на уровне активизации источников знаний;

на уровне обработки пускового образца и предусловий в процессе работы с отдельным источником знаний;

На уровне выполнения действий, предусмотренных записью активизации источника знаний.

Хотя процессам первой группы параллелизм присущ по самой их природе, процессы двух других групп могут включать и последовательно выполняемые шаги. Например, предусловия разных правил могут использовать одни и те же переменные, а операции, специфицированные разными активизированными правилами, могут потребовать соблюдения определенной последовательности выполнения.

В Станфордском университете в рамках проекта Advanced Architectures Project созданы два прототипа систем с доской объявлений, в которых использованы разные методики организации параллельной работы компонентов системы. Ниже мы приведем краткое описание этих разработок. Более детально читатель может познакомиться с ними в работе [Nii et al., 1988].

Система CAGE [Aietlo, 1986] является модификацией описанной выше инструментальной среды AGE и представляет собой мультипроцессорную вычислительную систему с общей памятью. В язык программирования системы включены конструкции, позволяющие описать параллельное выполнение некоторых фрагментов кода на уровне прикладной программы. В проекте параллельное выполнение реализовано на трех уровнях системы.

Параллельная работа источников знаний. Источники знаний могут параллельно работать с разными сегментами структуры данных доски объявлений или может быть использован режим конвейерной обработки, когда разные операции выполняются с разными сегментами данных, которые по очереди извлекаются из конвейера.

Параллельная реализация правил. Условия, специфицированные в разных правилах, могут анализироваться параллельно. Действия, указанные в правых частях правил, могут быть реализованы затем либо параллельно, либо поочередно.

Параллельный анализ условий. Условия, специфицированные в одном и том же правиле, также могут анализироваться параллельно.

Параллельная обработка источников знаний может выполняться как в синхронном, так и в асинхронном режимах. В первом приближении синхронизация нужна в том случае, когда выходные данные множества параллельных этапов обработки буферизуются до тех пор, пока не закончится выполнение всех параллельных процессов. Таким образом, передача выходных данных на доску объявлений задерживается до тех пор, пока все активизированные источники знаний не завершат свои операции. Пользователь также может задать в программе, как должны быть реализованы действия, предусмотренные в активизированных правилах, — параллельно или поочередно.

Эксперименты с системой CAGE разочаровали ее создателей. В системе, насчитывающей восемь процессоров, было достигнуто только двукратное повышение скорости вычислений в режиме параллельной синхронной обработки источников знаний, а при использовании четырех процессоров вообще не наблюдалось никакого изменения производительности. В асинхронном режиме при использовании восьми процессоров удалось повысить быстродействие менее чем в четыре раза. Эксперименты с использованием параллельной обработки правил привели примерно к пятикратному повышению производительности системы, состоящей из 16 процессоров.

Другая система, POLIGON, была разработана "с чистого листа" на базе мультипроцессорного вычислительного комплекса с распределенной памятью. В ней используется распараллеливание задачи на множестве уровней. Эксперименты с этой системой дали значительно более обнадеживающие результаты. Оказалось, что эффективность распараллеливания существенно увеличивается по мере роста объема данных в источниках знаний и количества правил, претендующих на активизацию.

Из сравнительного анализа двух систем был сделан вывод, что попытка запаралле-лить обработку отдельных этапов при сохранении режима централизованного управления всей системой (вариант системы CAGE) не может привести к успеху, а использование децентрализованного управления снижает возможности программного управления процессом логического вывода. Таким образом, первые работы в направлении реализации параллельного режима в системах с доской объявлений показали, что это задача далеко не тривиальная. Параллелизм может оправдать себя только в тех областях применения, где возрастающая сложность системы и значительное увеличение объема вычислений оправдываются результатами работы экспертной системы.

Рекомендуемая литература

Для первого знакомства с принципами построения экспертных систем на основе доски объявлений я бы рекомендовал прочесть обзорные работы [Nil, 1986, а, b]. Подборка статей об исследованиях в этом направлении опубликована в сборнике [Englemore and Morgan, 1988]. С точки зрения технологии экспертных систем особый интерес представляют главы 5 и 6, в которых описаны некоторые ранние системы с такой архитектурой, не рассмотренные в данной книге, глава 12, содержащая достаточно подробное описание системы AGE, и глава 26, в которой кратко описана реализация системы GBB.

Тем, кто желает детальнее познакомиться с системами GBB и ERASMUS, я рекомендую работу [Jagannathan et al., 1989]. Информация о проекте Advanced Architectures Project и разработанных в его рамках системах CAGE и POLIGON опубликована в работе [Rice, 1989]. Прилагаемый к ней список публикаций результатов, полученных в ходе работы над этим проектом, послужит хорошим путеводителем тем, кто захочет глубже с ним познакомиться.

Среди прочих работ, касающихся проблематики систем с доской объявлений, я бы выделил книгу [Craig, 1995] и обзорную статью [Carver and Lesser, 1994].

Упражнения