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1第六章先进专家系统6.1专家系统概述6.2基于规则和基于框架的专家系统6.3模糊专家系统和神经网络专家系统6.4基于Web的专家系统6.5分布式和协同式专家系统6.6专家系统的开发26.1专家系统概述专家系统和先进专家系统(1/2)一、专家系统的概念专家系统是一种具有大量专门知识和经验的智能程序系统，它能运用领域专家多年积累的经验和专门知识，模拟领域专家的思维过程，解决该领域中需要专家才能解决的复杂问题。•专家系统是人工智能应用研究的主要领域•第一个专家系统----1968年费根鲍姆等人研制成功（DENDRAL--化学结构分析），实现了人工智能从理论研究走向实际应用，从一般思维方法探讨转入专门知识运用的重大突破•目前专家系统和自然语言理解、智能机器人一起并列为人工智能研究最活跃的三大领域3二、专家系统的基本类型按求解问题的性质分类--海叶斯—罗斯（F·Heyes--Roth）•解释专家系统•预测专家系统•诊断专家系统•设计专家系统•规划专家系统监视专家系统控制专家系统调试专家系统教学专家系统修理专家系统41.解释专家系统(expertsystemforinterpretation)•任务：通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义•特点–数据量很大，常不准确、有错误、不完全–能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设–推理过程可能很复杂和很长•例子语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等52.预测专家系统(expertsystemforprediction)•任务：根据现状预测未来情况。•特点–系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全–系统需要有适应时间变化的动态模型•例子有气象预报、军事预测等63.诊断专家系统(expertsystemfordiagnosis)•任务：根据输入信息找出诊断对象中存在的故障•特点–能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系–能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象–能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断•例子有医疗诊断等74.设计专家系统(expertsystemfordesign)•任务：根据给定的要求形成所需的方案或图样描述•特点–从多种约束中得到符合要求的设计–系统需要检索较大的可能解空间–能试验性地构造出可能设计，易于修改–能够使用已有设计来解释当前新的设计•例子VAX计算机结构设计专家系统等85.规划专家系统(expertsystemforplanning)•任务：根据给定目标，拟定行动规划•特点–所要规划的目标可能是动态的或静态的，需要对未来动作做出预测–所涉及的问题可能很复杂•例子军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。96.监视专家系统(expertsystemformonitoring)•任务对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报•特点–系统应具有快速反应能力–系统发出的警报要有很高的准确性–系统能够动态地处理其输入信息•例子粘虫测报专家系统107.控制专家系统(expertsystemforcontrol)•任务：自动控制系统的全部行为，用于实时控制系统•特点控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能•例子空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和生产质量控制等118.调试专家系统(expertsystemfordebugging)•任务：给出已知故障的排除方案。•特点同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能•例子：可用于新产品或新系统的调试，也可用于维修站进行被修设备的调整、测量与试验。•在这方面的实例还比较少见。129.教学专家系统(expertsystemforinstruction)•任务：是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。•特点–同时具有诊断和调试等功能–具有良好的人机界面•例子：•美国麻省理工学院的MACSYMA符号积分与定理证明系统•我国一些大学开发的计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等1310.修理专家系统(expertsystemforrepair)•任务对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作•功能：同时具有诊断、调试、计划和执行等功能•例子：美国贝尔实验室的ACI电话和有线电视维护修理系统14•先进专家系统•先进专家系统的概念•先进专家系统是指在传统专家系统的基础上，引入一些新思想、新技术所产生的新型专家系统。•先进专家系统的特性•(1)并行分布式处理功能•(2)多专家协同工作•(3)更强的自学习能力•(4)更新的推理机制•(5)自纠错和自完善能力•(6)先进的智能接口•(7)更多的先进技术被引入和融合15先进专家系统的类型1、分布式专家系统•具有分布处理能力及多专家系统、多知识元的协同处理能力的专家系统。2、协同式专家系统•群专家系统。采用多专家协同工作方式的专家系统。3、模糊专家系统•采用模糊技术处理不确定性问题的专家系统。4、神经网络专家系统•运用人工神经网络技术建造的专家系统，目前还处于研究阶段。5、基于Web的专家系统•利用Web浏览器实现人机交互的专家系统。是传统专家系统和Web数据交换技术的集成。16人机接口数据库推理机知识获取用户知识库领域专家AI专家解释模块图10.1专家系统的基本结构尽管不同类型的专家系统的结构会存在一定差异，但其基本结构还是大致相同的。通常，一个专家系统的基本结构由知识库、数据库、推理机、解释模块、知识获取模块和人机接口6大部分所组成。如下图所示：三、专家系统的基本结构17（一）人机接口•是人与系统进行信息交流的媒介，它为用户提供了直观方便的交互作用手段•需进行内部表示形式与外部表示形式的转换•多样：如自然语言、编辑软件等•如：在硬件、软件配置不高时可采用菜单方式或命令语言方式•接口命令的一般类型：–获取知识命令：领域专家或知识工程师向知识库输入知识–提交问题命令：用户向专家系统提交待求解问题–提交解释命令：当用户对专家系统给出的结论不理解或希望给出依据时，通过此命令请求系统给予解释–知识检索及维护命令：知识工程师用此命令对知识进行检索、查阅知识库中的知识，以便进行增、删、改18（二）知识获取机构•基本任务：–把知识输入到知识库中，并负责维持知识的一致性及完整性，建立起性能良好的知识库•方式：–知识工程师向领域专家获取知识，再通过相应的知识编辑软件把知识送入到知识库；–或：系统直接与领域专家对话获取知识（系统具有部分学习功能）–或通过系统的运行实践归纳、总结出新的知识19（三）知识库及其管理系统1、知识库：用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可行操作与规则等。2、知识库的建立----要解决知识获取和知识表示3、知识库管理系统负责知识库中知识的组织、检索、维护等专家系统的其他部分若要与知识库发生联系均通过管理系统完成•一个专家系统的能力依赖于知识库中所存储知识的数量和质量，其可用性、确定性和完善性决定了一个专家系统性能的优劣。20（四）推理机1、任务：模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解•根据当前的数据，利用知识库的知识，按照一定的推理策略去解决所提出的问题2、推理方式：启发推理和算法推理、正向推理和反向推理及正反向相结合推理、串行推理和并行推理等3、一般应用程序与专家系统的主要区别：–一般应用程序把问题求解的知识隐含地编入程序，而专家系统则把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知识库。–一般应用程序把知识组织为两级：数据级和程序级；大多数专家系统则将知识组织成三级；数据、知识库和控制（知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的）。21（五）数据库及其管理系统1、数据库----“黑板”、“综合数据库”(动态库、上下文库)初始事实、问题描述、中间结果、最终结果、运行信息（如推出结果的知识链）等2、数据库管理系统数据库由数据库管理系统进行管理、与一般程序设计中的数据库管理一样，只是应使数据的表示方法与知识的表示方法保持一致。（六）解释机构-------是专家系统区别于一般程序的重要特征之一1、任务回答用户提出的“为什么？”、“结论是如何得出的？”等2、构成-----一组程序跟踪并记录推理过程，当用户提出询问需要给出解释时，根据问题的要求分别做处理，最后把解释用约定的形式通过人机接口输出给用户。226.2基于规则和基于框架的专家系统一、基于规则的专家系统基于规则的专家系统是指采用产生式知识表示方法的专家系统。它以产生式系统为基础，是专家系统开发中常用的一种方式，其最基本的工作模型如图所示。在该模型中，规则库是基于规则专家系统的知识库；事实库也称综合数据库，是用来存放推理前的已知事实和推理过程中所得到的中间结论的；推理机是基于规则专家系统的推理机构。推理机规则库事实库23专家系统实例•迄今为止，专家系统尚缺乏统一的理论来指导系统的设计与建造。随着应用范围的不同，专家系统所采用的方法可能有很大差别。•MYClN系统MYClN系统是由斯坦福大学开发的，从1972年开始，于1974年基本完成。它是一个用于诊断和治疗血液感染性疾病的专家咨询系统。该系统功能比较全面，是一个典型的基于规则的专家系统。为了处理事实和规则的不确定性，MYCIN系统采用非精确推理。•对MYCIN系统所作的正式鉴定表明在对细菌血症和脑膜炎病人的诊断和选择处方方面，MYCIN系统比传染病方面的专家高明。但到目前为止，系统还不能用于临床，其主要原因是系统缺乏传染病方面的全面知识。24专家系统实例MYCIN系统由三个子系统和两个库组成：–动态库：存放正在进行诊断的病人的情况，包括症状、化验结果、系统推导出的中间结果和最终结论等。–知识库：存放用于治疗与诊断疾病的静态数据与知识。–咨询子系统：即推理机，根据知识库中的诊断知识与动态库中的数据进行推理，作出咨询决策。–解释子系统：回答用户用简单的英语句子询问的问题。问题可以涉及当前的决策及系统的一般知识。每个咨询决策作出后自动进入该系统。–知识获取子系统：协助感染病专家对知识库进行扩充和修改。系统可以对专家输入的英文语句进行分析，并将其转化成内部的规则形式25专家系统实例例如：规则092如果：(1)存在一种需要治疗的机体。(2)已经考虑了其它可能存在的机体，即使它们在当前培养物中还没有被发现则：(1)根据敏感性数据编制能有效地抑制需要治疗的机体的治疗方案清单。(2)从已编制的清单中选择最佳的治疗方案。否则：指出患者不需治疗：26二、基于框架的专家系统•基于框架的专家系统：指采用框架知识表示方法的专家系统。它以框架系统为基础，具有较好的结构化特性。•结构：这种专家系统的基本结构也与前面图所示的专家系统类似，•主要区别：在于知识库中知识表示和组织方式，综合数据库中事实的表示方式，推理机的推理方法和系统推理过程的控制策略等。27一、模糊专家系统模糊专家系统是指采用模糊技术来处理不确定性的一类专家系统。模糊专家系统的基本结构与传统专家系统类似，一般由模糊知识库、模糊数据库、模糊推理机、知识获取模块、解释模块和人机接口6部分所组成。如下图：人机接口模糊数据库模糊推理机模糊知识获取用户模糊知识库领域专家AI专家解释模块图10.3模糊专家系统的基本结构6.3模糊专家系统和神经网络专家系统28学习示例知识库学习算法知识获取用户推理机神经网络专家网络结构图10.4神经网络专家系统的基本结构解释器神经网络专家系统是神经网络与传统专家系统集成所得到的一种专家系统。它将传统专家系统的显式的知识表示方法变为基于神经网络及其连接权值的隐式知识表示，把基于逻辑的串行推理技术变为基于神经网络的并行联想和自适应推理。二、神经网络专家系统29基于Web的专家系统是Web数据交换技术与传统专家系统集成所得到的一种先进专家系统。它利用Web浏览器实现人机交互，基于Web专家系统中的各类