Integrating multiple problem solves in hybrid knowledge-based architectures

Abstract

Το διδακτορικό αυτό εξετάζει την διασύνδεση πολλαπλών επιλυτών προβλημάτων σε υβριδικά συστήματα βασισμένα σε γνώση. Ένας επιλυτής προβλημάτων προσδιορίζεται σαν η σχέση μεταξύ μίας έντονης σε γνώση εργασίας, ενός συμπερασματικού μηχανισμού και ενός συγκεκριμένου τρόπου βλέψης ενός δεδομένου γνωστικού τομέα. Ο τρόπος βλέψης του γνωστικού τομέα ενός επιλυτή προβλημάτων καθορίζεται σε τρία διαφορετικά επίπεδα. Στο πιό αφηρημένο επίπεδο (επίπεδο γνώσης) εκφράζεται με τους όρους μία οντολογίας εννοιών. Στο επόμενο επίπεδο (επίπεδο απεικόνισης) η οντολογία συσχετίζεται με φορμαλισμούς απεικόνισης, και στο πιο συγκεκριμένο επίπεδο (επίπεδο υλοποίησης) οι φορμαλισμοί απεικόνισης συμπληρώνονται με πραγματική γνώση από τον συγκεκριμένο τομέα. Διάφοροι επιλυτές προβλημάτων για την ίδια εργασία είναι αναγκαστικά ανταγωνιστές αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σαν συνεργάτες. Ενας επιλυτής προβλημάτων συνεχίζει από εκεί που έχει σταματήσει κάποιος άλλος επιλυτής. Συστήματα βασισμένα σε γνώση που χρησιμοποιούν πολλαπλούς 'ανταγωνιστικούς-συνεργατικούς' επιλυτές προβλημάτων ταξινομούνται ως υβριδικά συστήματα. Το θεωρητικό μέρος του διδακτορικού αυτού ασχολήθηκε με τον καθορισμό ενός αριθμού κρίσιμων σημείων διασύνδεσης πολλαπλών 'ανταγωνιστικών-συνεργατικών' επιλυτών προβλημάτων (αλληλοεπίδρασης, επίκλησις, αντίδρασης, είδη των επιλυτών προβλημάτων, επέκτασης, μάθησης), ενώ το πρακτικό μέρος του διδακτορικού ασχολήθηκε με την υλοποίηση μιας αρχιτεκτονικής βασισμένης σε γνώση η οποία υποστηρίζει τα κρίσιμα σημεία διασύνδεσης που έχουν καθοριστεί. Η αρχιτεκτονική αυτή έχει εφαρμοστεί στο τομέα της ιστοπαθολογικής διάγνωσης του καρκίνου του μαστού. Τα κύρια χαρακτηριστικά μία υβριδικής αρχιτεκτονικής βασισμένης σε γνώση είναι η χρήση μίας μονάδας ελέγχου σε ένα μετα-επίπεδο, του μετα-συλλογιστή, ο οποίος συγχρονίζει την χρήση, και την επικοινωνία μεταξύ των διαφόρων επιλυτών προβλημάτων. Οι επιλυτές προβλημάτων βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο ενώ ο μετα- συλλογιστή ς είναι σε πιό ψηλό επίπεδο, επιτηρώντας την λειτουργία των επιλυτών προβλημάτων. Ο κάθε επιλυτής προβλημάτων επικοινωνεί απευθείας με τον μετα- συλλογιστή αλλά δεν υπάρχει ελεύθερη επικοινωνία μεταξύ των διαφόρων επιλυτών προβλημάτων. Ο μετα-συλλογιστής αποτελεί το κεντρικό σημείο μελέτης του διδακτορικού αυτού λόγω του κρίσιμου του ρόλου σε ένα υβριδικό σύστημα. Γενικά η συνεισφορά του διδακτορικού αυτού είναι: (α) η λεπτομερής ανάλυση των αναγκαίων κριτηρίων διασύνδεσης σε μία υβριδική αρχιτεκτονική βασισμένη σε γνώση (β) η ανάλυση και προσδιορισμός του έργου του μετα-συλλογιστή και (γ) η υλοποίηση μίας υβριδικής αρχιτεκτονικής βασισμένης σε γνώση που υποστηρίζει τις απαιτήσεις διασύνδεσης που έχουν προσδιοριστεί.

This thesis explores the integration of multiple problem solvers in hybrid knowled-ge-based architectures. A problem solver is defined to be an association between a knowledge intensive task, an inference mechanism and a view of the given domain. The domain view of a problem solver is defined at three levels. At the most abstract level (knowledge level) it is expressed in terms of a conceptual ontology. At the next level (representation level) the ontology is mapped into representation formalisms, and at the most concrete level (implementation level) the representation formalisms are instantiated with actual domain knowledge. Different problem solvers for the same task are essentially competitors but they can be used in a collaborative way as well; one problem solver takes over from where another problem solver has left. Knowledge-based systems employing multiple "competitive-collaborative" problem solvers are classified as hybrid. The theoretical work underlying this thesis has led to the specification of a number of critical aspects of integration of multiple "competitive-collaborative" problem solvers (interaction, invocation, reactiveness, types of problem solvers, expandability, learning), while on the practical side a knowledge-based architecture supporting the identified integration aspects, has been developed and applied to the domain of breast cancer histopathology. The main characteristic of a hybrid knowledge-based architecture is the use of a meta-level control unit, the metareasoner, which coordinates the use of, and the communication between the different problem solvers. The problem solvers are at the same level while the metareasoner is at a higher level, globally overseeing the operation of the problem solvers. Every problem solver communicates directly with the metareasoner but there are no intercommunications between the solvers. The metareasoner constitutes a main focus of this thesis because of its critical role in a hybrid system. Overall the contributions of this thesis are: (a) the detailed exposition of the necessary integration aspects in a hybrid knowledge-based architecture; (b) the anal¬ysis and specification of the functionality of the metareasoner; a critical survey con¬ducted in the context of this thesis has come to the conclusion that the role of the metareasoner was in need of considerable enhancements drawing from a more compre¬hensive evaluation of integration requirements, and (c) the development of a hybrid knowledge-based architecture supporting the specified integration requirements.