Человеческий фактор. Том 3. Часть 1 - Сальвенди Г.
ISBN 5-03-001815-8
Скачать (прямая ссылка):
Экспертные системы
193
ла, сравнительно несложно; что же касается задачи определения структуры молекулы, то оиа весьма трудоемка и является источником потенциальных ошибок ввиду обычно большого количества возможных вариантов.
Создание экспертной системы DENDRAL сильно упростило задачу описания молекулярной структуры на основе данных масс-спектрометрии. Эту ЭС мы ниже обсудим подробнее. Другая действующая экспертная система — CRYSALIS— строит описание молекулярной структуры исходя из кристаллографических данных. Сводка сведений об этой экспертной системе приведена в табл. 3.8, и здесь эта ЭС обсуждаться не будет.
Цель органического синтеза в химии — создание новых веществ или усовершенствование технологии производства старых. При синтезе нового вещества сначала определяется его желательная молекулярная структура, а потом начинается работа в обратном направлении по разбиению структуры на все более простые компоненты, пока не получатся коммерчески доступные химикалии и материалы. Этот процесс, если его проводить вручную, весьма трудоемкий и сложный, поскольку план синтеза сложного вещества, называемый маршрутом синтеза, может включать десятки отдельных реакций. Например, синтез простого стероида, молекула которого состоит из 20 атомов, может включать 1018 маршрутов Ниже в этом разделе мы обсудим экспертные системы LHASA, SECS и SYNCHEM, разработанные для решения задач органического синтеза.
Система DENDRAL анализирует данные масс-спектрометрии, магнитного ядерного резонанса и другие, чтобы вывести из них вероятную структуру неизвестного соединения. Разработка системы началась в Станфордском университете в 1965 г. Более поздняя версия этой системы (META-DENDRAL, 1970 г.) предназначена для автоматического вывода правил из примеров молекулярных структур, уже изученных специалистами, чтобы эти знания могли быть добавлены к уже приобретенным системой DENDRAL.
База знаний системы DENDRAL содержит правила вывода ограничений на молекулярную структуру из опытных данных, а также процедуры порождения этих структур и правила построения спектрограмм. Глобальная база данных системы образуется данными масс-спектрометрии, ограничениями и потенциально возможными молекулярными структурами.
Для доступа к данным из базы знаний, охватывающей большое, но факторизуемое пространство решений, в системе DENDRAL используется разновидность метода порождения и проверки гипотез. Применяемая управляющая стратегия включает в себя три этапа: планирование исследования, порождение гипотезы и проверку. На стадии планирования задача поиска
J94 Глава 3
всевозможных размещений атомов в трехмерной структуре преобразуется в задачу поиска всех размещений, которые удовлетворяют заданным ограничениям, хранящимся в базе знаний экспертной системы в форме правил вида ЕСЛИ — ТО. На этапе порождения строятся всевозможные структуры, не нарушающие ни одного из этих ограничений. При этом выдвигаются требования, чтобы порождались все структуры, удовлетворяющие ограничениям, и только они и чтобы каждая така» структура порождалась в точности один раз; соблюдение этих, требований обеспечивает программа CONGEN (1976 г.). Этот этап может выполняться целиком в интерактивном режиме» в том смысле, что пользователю разрешено самому определять ограничения. Наконец, на этапе проверки порожденные структуры ранжируются путем моделирования их поведения с помощью масс-спектрометра. Высший ранг приписывается структурам, поведение которых ближе к наблюдаемому на опыте.
Интерфейс системы DENDRAL включает такие средства, как редактор структур EDITSTRUC, программа визуализации результатов DRAW (ориентированная на передачу данных по телетайпу) и программа-диспетчер, связывающая воедино отдельные подпрограммы и помогающая пользователю создавать, редактировать, хранить и восстанавливать ограничения, подструктуры и суператомы (группы связанных атомов). Кроме того» примеры молекул могут строиться с самого начала процесса вычислений, так что химик может остановить этот процесс, если, увидит, что ограничения сформулированы нечетко или некорректно.
Благодаря разработке системы META-DENDRAL система DENDRAL приобрела некоторые способности к обучению. Система META-DENDRAL умеет выводить правила из имеющихся молекулярных структур, что упрощает добавление новых знаний в систему DENDRAL. С другой стороны, молекулярные структуры, выявленные системой DENDRAL, могут использоваться системой META-DENDRAL для вывода новых правил.
Система DENDRAL оказалась способной точно решать задачу объяснения молекулярной структуры путем систематического поиска в пространстве возможных структур и систематического использования уже известных данных для ограничения списка возможностей. В настоящее время система DENDRAL используется для определения структур следующих классов молекул [2]: терпенов естественного (растительного и животного) происхождения; морских стероидов; органических кислот, входящих в состав мочи и других жидкостей человеческого тела; продуктов фотохимического процесса; метаболитов микроорганизмов; гормонов и феромонов насекомых. Полученные результаты сравнивались с описаниями молекулярных структур, опуб-
