エキスパートシステムとは？定義・仕組み・活用例をわかりやすく解説
エキスパートシステムは、コンピュータ上で動作するプログラムです。人間の専門家と同じように、あるテーマについて多くのことを知っています。人々はエキスパート・システムに質問をすることができます。エキスパートシステムは、一連のルールを使って、その質問に答えを出します。この自動推論の方法は、人工知能と呼ばれるコンピュータサイエンスの分野に属しています。
エキスパート・システムには、異なるグループの人々が異なる種類のアクセスを持つことができます。コンピュータのネットワークを管理する人々は、オフィスワーカーや秘書とは異なるニーズを持っています。
エキスパートシステムの構成要素
一般的なエキスパートシステムは次の主要な部分から成ります。
- 知識ベース：専門家の知識や経験を形式化して格納した部分。ルール（if-then形式）やファクト（事実）として表されることが多いです。
- 推論エンジン（インファレンスエンジン）：知識ベースにあるルールを使って、新しい結論を導き出す仕組み。前向き推論（フォワードチェイニング）や後ろ向き推論（バックステップ、バックワードチェイニング）などの手法があります。
- ユーザーインターフェース：利用者が質問を入力したり、システムの説明を受け取ったりするための部分。説明機能（なぜその結論に至ったかを示す）を持つものが多く、信頼性の向上に寄与します。
- 知識取得モジュール：専門家から知識を取り出し、知識ベースに組み込むための支援ツール。知識取得はしばしばボトルネックになる部分です。
動作の仕組み（ルールと推論）
多くのエキスパートシステムは、「もし（if）〜ならば（then）」の形のルールを使います。たとえば医療診断のシステムでは：
- もし「発熱」と「咳」があるならば、「感染症の可能性がある」と推定する。
- もし「感染症の可能性がある」かつ「白血球数増加」であれば、「細菌感染の可能性が高い」と結論づける。
推論エンジンは、ユーザーが入力した情報や既存のファクトを基にルールを繰り返し適用して結論を導きます。状況に応じて確信度（certainty factor）を扱い、複数の不確かな証拠を組み合わせることもあります。
活用例（具体的な用途）
- 医療診断支援：症状から疑われる病気を提示したり、診断の根拠を示したりします。
- 機器のトラブルシューティング：故障の原因を推定し、対処法を提示します（製造現場、通信設備など）。
- 金融・保険の審査：ローン審査や保険の引受判断でルールに基づく判定を行います。
- 技術支援・ヘルプデスク：ユーザーの問いに対して、段階的に原因を絞り込む対話を行います。
- 設計支援：電子回路や化学工程など、専門知識を使って設計案を助言します。
利点と限界
- 利点
- 専門家の知識を標準化して複数人で共有できる。
- 24時間利用可能で、意思決定の一貫性を保てる。
- 説明機能により、ユーザーが判断の根拠を確認できる。
- 限界
- 知識の取得（専門家からルール化する作業）が難しく時間がかかる（知識獲得のボトルネック）。
- 例外や未知の状況に弱く、柔軟性が低い（ブリットルネス問題）。
- 膨大な数のルールがあると管理が難しくなり、矛盾や冗長が生じる可能性がある。
アクセス権・ユーザー別の使い分け
最初の段落でも触れたように、エキスパート・システムは利用者の役割に応じて異なるアクセスや表示を提供します。たとえば：
- ネットワーク管理者は詳細な診断情報や設定変更オプションにアクセスできる（ネットワークを管理する人々の例）。
- 一般のオフィスワーカーや秘書は、日常業務で必要な簡易な助言や手順だけを参照できるようにする、などの使い分けが行われます。
開発と運用のポイント
- 初期構築では、専門家インタビューや過去の事例分析を通じて知識を抽出し、ルール化します。
- 運用中は知識ベースの更新が不可欠で、実務者からのフィードバックを受けてルールを修正・追加します。
- 他システム（データベース、センサー、機械学習モデルなど）と連携させることで、より高い精度や柔軟性を実現できます。
エキスパートシステムと他のAI手法の違い
エキスパートシステムはルールベースで説明可能性が高い一方、機械学習（特に深層学習）は大量データから自動でモデルを学習します。どちらが適切かは用途次第で、説明が重要な場面ではエキスパートシステムが有利、パターン認識や大量データ処理が必要な場面では機械学習が有利です。最近は両者を組み合わせるハイブリッドなアプローチも増えています。
まとめ
エキスパートシステムは、専門家の知識をコンピュータ上で再現し、ユーザーの疑問に対してルールに基づく推論で答えるシステムです。知識ベース、推論エンジン、ユーザーインターフェースといった要素から成り、医療・製造・金融など幅広い分野で活用されています。一方で、知識獲得や例外処理などの課題もあるため、運用時の継続的な更新や他技術との連携が重要です。
エキスパートシステムの仕組み
エキスパート・システムは
- 事実、規則、原則の集合体
- 専門知識を駆使して解決するデータの集合体
- ユーザーインターフェース
質問を受けたら、自分の持っているルールでデータをフィルタリングします。結果を返すかもしれないし、追加の質問をするかもしれない。
エキスパートシステムのカテゴリ
- ケースベースのエキスパートシステムは、いくつかのケースを持ち、各ケースは、特定のケースにおける文脈上の問題、および問題の解決策を記述する。現在の問題は、ケースに可能な限り一致させる。そして、見つかったケースの解決策を現在の問題に適用する。このようなシステムの主な問題は、ケースが互いにどのように関連しているか、あるいは類似しているかを定義することである。このようなシステムが使用される例として、ある患者の例がある。この患者は、与えられた数の症状を示しており、エキスパートシステムはこの患者を診断することができる。
- ルールベースのシステムは、ケースに頼らず、いくつかのルールが存在する。多くのシステムでは、人間の専門家がルールを書かなければならない。
- 第三のアプローチは、決定木に基づくシステムを構築することである。このようなシステムは、帰納的推論を用いて学習したり、知識ベースを拡張したりすることが可能である。分類が完了すると、システムは木を通る経路を使用する。最後に、問題の解決策のクラスを示す葉に到達する。ツリーの各分岐は、チェックされる属性に基づいている。その属性の値によって、どのように経路を継続するかが決定される。理想的には、小さな木を用いて良い結果を得ることができる。問題は、判断の根拠となる良い属性を見つけることである。
質問と回答
Q:エキスパート・システムとは何ですか?
A: エキスパート・システムとは、コンピュータ上で動作し、人間の専門家と同様の知識を持つプログラムのことです。
Q:エキスパート・システムはどのように質問に答えるのですか?
A: エキスパート・システムは、事前に定義されたルールのセットを使用して、投げかけられた質問を評価し、回答します。
Q: エキスパート・システムが示す自動推論の方法は、コンピュータ・サイエンスのどの分野に属するのですか?
A: エキスパート・システムが示す自動推論の方法は、人工知能の分野に属します。
Q:エキスパート・システムの役割は何ですか?
A: エキスパート・システムの役割は、質問を処理し、知識ベースを使って答えを提供することです。
Q: 誰がエキスパート・システムにアクセスできますか?
A: エキスパート・システムには、さまざまなグループの人々がそのニーズに応じてアクセスすることができます。例えば、コンピュータネットワークを管理する人と、オフィスワーカーや秘書では、エキスパートシステムへのアクセス方法が異なります。
Q: 人間の専門家とエキスパート・システムの違いは何ですか?
A: 人間の専門家は、複雑な概念を生得的に理解し把握しているのに対し、エキスパート・システムの知識は、そのプログラミングの中で定義されたルールに基づいています。
Q: エキスパート・システムの知識ベースはどのように更新されるのですか?
A: エキスパート・システムの知識ベースは、必要に応じて新しいルールや情報を追加することで更新されます。このような更新は、新しい研究や、エキスパート・システムが扱う知識分野の変化の結果として起こります。
