人工智能及其应用6

第6章专家系统6.1专家系统概述6.5新型专家系统6.2基于规则的专家系统6.6专家系统设计6.3基于框架的专家系统6.7专家系统开发工具6.4基于模型的专家系统6.8小结26.1专家系统概述专家系统(expertsystem)是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一,是目前AI应用研究的主要领域之一。定义：是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验智能计算机程序系统，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题；专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。36.1专家系统概述6.1.1专家系统特点专家系统具有一些共同的特点和优点–专家系统具有下列3个特点：•启发性•透明性•灵活性–专家系统的优点存在八个方面46.1.2专家系统的类型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6.1专家系统概述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51.解释专家系统(expertsystemforinterpretation)任务通过对已知信息与数据的分析与解释，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6.1专家系统概述62.预测专家系统(expertsystemforprediction)任务通过对过去与现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况。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6.1专家系统概述73.诊断专家系统(expertsystemfordiagnosis)任务根据观察到的情况(数据)来推断出某个对象机能失常(即故障)的原因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6.1专家系统概述84.设计专家系统(expertsystemfordesign)任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤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6.1专家系统概述95.规划专家系统(expertsystemforplanning)任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤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。6.1专家系统概述106.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6.1专家系统概述117.控制专家系统(expertsystemforcontrol)任务自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求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6.1专家系统概述128.调试专家系统(expertsystemfordebugging)任务对失灵的对象给出处理意见和方法特点同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能例子在这方面的实例还比较少见6.1专家系统概述139.教学专家系统(expertsystemforinstruction)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MACSYMA符号积分与定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统等6.1专家系统概述1410.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功能有诊断、调试、计划和执行等功能例子ACI电话和有线电视维护修理系统6.1专家系统概述156.1.3专家系统的结构和建造步骤定义：指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式专家系统结构图6.1专家系统概述知识库推理机专家知识输入或提问答案图6.1专家系统结构简图16图6.2则为理想专家系统的结构图接口用户事实规则计划议程中间解黑板知识库解释器执行器调度器协调器6.1专家系统概述17一般应用程序与专家系统的区别：一般应用程序专家系统把问题求解的知识隐含地编入程序。把知识组织为两级：数据级和程序级。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。将知识组织成三级；数据、知识库和控制。6.1专家系统概述18专家系统的主要组成部分知识库（KnowledgeBase）综合数据库（GlobalDatabase）推理机（ReasoningMachine）解释器（Explanator）人机接口（Interface）19知识化问题图6.3建立专家系统的步骤合法化概念化形式化规则化知识概念结构形式规则再设计改进重新阐述2.专家系统的建造步骤6.1专家系统概述20建立系统的一般步骤如下设计初始知识库–问题知识化–知识概念化–概念形式化–形式规则化–规则合法化原型机（prototype）的开发与实验知识库的改进与归纳•规则6.1专家系统概述216.2基于规则的专家系统知识库（规则）工作存储器（事实）推理机1.基于规则的专家系统的工作模型图6.4基于规则的工作模型22基于规则的专家系统采用下列模块来建立产生式系统的模型：知识库以一套规则建立人的长期存储器模型工作存储器建立人的短期存储器模型，存放问题事实和由规则激发而推断出的新事实推理机借助于把存放在工作存储器内的问题事实和存放在知识库内的规则结合起来，建立人的推理模型，以推断出新的信息6.2基于规则的专家系统232.基于规则专家系统的结构6.2基于规则的专家系统解释器用户界面开发界面外部程序工作存储器推理机知识库用户知识工程师图6.5基于规则专家系统的结构246.3基于框架的专家系统1.面向目标编程与基于框架设计–基于框架的专家系统建立在框架的基础之上–基于框架的专家系统采用面向目标编程技术–基于框架的设计和面向目标的编程共享许多特征–在设计基于框架系统时，专家系统的设计者们把目标叫做框架25特征名称值侧面规则目标议程表人类男人女人约翰李勇丽达王红类（class）槽(Slots)子类（subclass)例子(instances)规则(rules)目标议程表(goalagenda)2.基于框架专家系统的结构6.3基于框架的专家系统图6.6人类的框架分层结构263.基于框架专家系统的一般设计方法基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规则的专家系统相似。主要差别在于如何看待和使用知识在设计基于框架的专家系统时，把整个问题和每件事想像为编织起来的事物在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的方法对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程6.3基于框架的专家系统27开发基于框架的专家系统的主要任务定义问题分析领域定义类与特征定义例子及其框架结构确定模式及其匹配规则规定事物的通信方法设计系统界面对系统进行评价对系统进行扩展，深化和扩展知识286.4基于模型的专家系统1.基于模型专家系统的提出关于人工智能的一个观点(定性模型化)综合各种模型的专家系统比基于逻辑心理模型的系统具有更强的功能，从而有可能显著改进专家系统的设计在诸多模型中，人工神经网络模型的应用最为广泛292.基于神经网络的专家系统神经网络模型从知识表示、推理机制到控制方式，与目前专家系统中的基于逻辑的心理模型有本质的区别三种神经网络模型与专家系统集成模式–神经网络支持专家系统–专家系统支持神经网络–协同式的神经网络专家系统6.4基于模型的专家系统30神经网络专家系统的基本结构6.4基于模型的专家系统知识获取学习示例网络结构学习算法解释器专家神经网络用户知识库推理机图6.7神经网络专家系统的基本结构31神经网络专家系统的几个问题讨论神经网络的知识表示是一种隐式表示神经网络通过实例学习实现知识自动获取神经网络的推理是个正向非线性数值计算过程，同时也是一种并行推理机制同一知识领域的几个独立的专家系统可组合成更大的神经网络专家系统6.4基于模型的专家系统326.5新型专家系统6.5.1新型专家系统的特征并行与分布处理多专家系统协同工作高级语言和知识语言描述具有自学习功能引入新的推理机制具有自纠错和自完善能力先进的智能人机接口336.5.2分布式专家系统主要目的：把一个专家系统的功能经分解以后分布到多个处理器上去并行地工作，从而在总体上提高系统的处理效率。可以工作在紧耦合的多处理器系统环境中，也可工作在松耦合的计算机网络环境里，所以其总体结构在很大程度上依赖于其所在的硬件环境。6.5新型专家系统34设计和实现分布式专家系统，需要解决的问题：功能分布把分解得到的系统各部分功能或任务合理均衡地分配到各处理节点上去知识分布根据功能分布的情况把有关知识经合理划分以后分配到各处理节点上。接口设计各部分间接口的设计目的是要达到各部分之间互相通讯和同步容易进行系统结构一方面依赖于应用的环境与性质，另一方面依赖于其所处的硬件环境(树型层次集中式，星型黑板式，独立的总线或环行式)驱动方式可供选择的几种驱动方式(1)控制驱动(2)数据驱动(3)需求驱动(4)事件驱动6.5新型专家系统356.5.3协同式专家系统一般专家系统解题的领域面很窄协同式多专家系统是克服一般专家系统的局限性的一个重要途径。协同式多专家系统亦可称“群专家系统”6.5新型专家系统36设计与建立一个协同式多专家系统，需要解决的问题：任务的分解公共知识的导出讨论方式裁决问题驱动方式6.5新型专家系统376.6专家系统设计分为以下两部分介绍以设计一个基于规则的维修咨询系统为例，说明专家系统的设计过程。这一过程包括描述专家知识、应用知识和解释决策等。专家知识的描述知识的使用和决策解释386.6.1专家知识的描述结论的表示结论规定了所涉及专门知识的范围观测的表示观测是得到结论所需要的观察或量测结果推理规则的表示产生式规则是决策规则最为常用的表示形式可根据观测和假设之间的逻辑关系分成3类：(1)FF规则(2)FH规则(3)HH规则6.6专家系统设计396.6.2知识的使用和决策解释结论的分级与选择询问问题的策略–固定的顺序–根据具体情况作出某种选择决策的解释–对系统设计者的解释–对系统使用者的解释6.6专家系统设计406.7专家系统开发工具专家系统工具是一种更高级的计算机程序设计语言现有的专家系统工具，主要分为骨架型工具、语言型工具、构造辅助工具和支撑环境等4类411.骨架型开发工具定义只保留原系统独立于问题领域知识的推理机部分形成的工具称为骨架优点使用方便，节省在开发系统的过程结构上的时间，提高开发效率，交互性好，提供很强的对结果进行解释的功能问题及缺点实例EMYCIN6.7专家系统开发工具422.语言型开发工具与骨架型的对比优点结构变化范围广泛，表示灵活，所适应的范围广泛问题及缺点功能上的通用性与使用上的方便性的矛盾造成一些问题和缺点实例OPS5、CLIPS等6.7专家系统开发工具433.构造辅助工具主要分两类设计辅助工具，知识获取辅助工具实例AGE系统、TEIRESIAS6.7专家系统开发工具4.支撑环境支撑设施是指帮助进行程序设计的工具四个典型组件：调试辅助工具、输入输出设施、解释设施和知识库编辑器44