pr-lzh8-人工智能课件3-专家系统

专家系统专家系统专家系统的概念专家系统的结构专家系统的发展概况专家系统设计与实现新一代专家系统研究2020/4/243专家系统（ExpertSystem)亦称专家咨询系统，它是一种智能计算机(软件)系统。顾名思义，专家系统就是能像人类专家一样解决困难、复杂的实际问题的计算机(软件)系统。“专家”是某一专门领域的行家里手。专家之所以是专家，是因为他（她）解决问题时具有超凡的能力和水平。专家之所以具有超凡的能力和水平，是因为:2020/4/244(1)专家拥有丰富的专业知识和实践经验，或者说他（她）拥有丰富的理论知识和经验知识，特别是经验知识；(2)专家具有独特的思维方式，即独特的分析问题和解决问题的方法和策略。专家系统应该具备以下四个要素：(1)应用于某专门领域；(2)拥有专家级知识；(3)能模拟专家的思维；(4)能达到专家级水平。2020/4/245所以，准确一点讲，专家系统就应该是：应用于某一专门领域，拥有该领域相当数量的专家级知识，能模拟专家的思维，能达到专家级水平，能像专家一样解决困难和复杂的实际问题的计算机(软件)系统。2020/4/246专家系统的类型关于专家系统的分类，目前还无定论。我们仅从几个不同的侧面对此进行讨论。1.按用途分类按用途分类，专家系统可分为：诊断型、解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型等几种类型。2.按输出结果分类按输出结果分类，专家系统可分为分析型和设计型。2020/4/2473.按知识表示分类目前所用的知识表示形式有：产生式规则、一阶谓词逻辑、框架、语义网等。4.按知识分类知识可分为确定性知识和不确定性知识，所以，按知识分类，专家系统又可分为精确推理型和不精确推理型（如，模糊专家系统）。5.按技术分类按采用的技术分类，专家系统可分为符号推理专家系统和神经网络专家系统。2020/4/2486.按规模分类按规模分类，可分为大型协同式专家系统和微专家系统。7.按结构分类按结构分类可分为集中式和分布式，单机型和网络型(即网上专家系统)。2020/4/249专家系统的结构专家系统是一种计算机应用系统。由于应用领域和实际问题的多样性，所以，专家系统的结构也就多种多样。但抽象地看，它们还是具有许多共同之处。2020/4/2410概念结构从概念来讲，一个专家系统应具有如图所示的一般结构模式。其中知识库和推理机是两个最基本的模块。1.知识库（KnowledgeBase)所谓知识库，就是以某种表示形式存储于计算机中的知识的集合。知识库通常是以一个个文件的形式存放于外部介质上，专家系统运行时将被调入内存。知识库中的知识一般包括专家知识、领域知识和元知识。元知识是关于调度和管理知识的知识。2020/4/2411专家系统的概念结构人机界面推理机解释模块动态数据库知识库知识库管理系统2020/4/2412体系结构知识库结果解释器知识推理器知识获取器人机接口用户知识工程师领域专家专家系统的核心部件2020/4/24132.推理机（InferenseEngine）所谓推理机，就是实现（机器）推理的程序，是使用知识库中的知识进行推理而解决问题的。所以，推理机也就是专家的思维机制，即专家分析问题、解决问题的方法的一种算法表示和机器实现。这里的推理，是一个广义的概念，它既包括通常的逻辑推理，也包括基于产生式的操作。例如：A→BAB2020/4/24143.动态数据库动态数据库也称全局数据库、综合数据库、工作存储器、黑板等，它是存放初始证据事实、推理结果和控制信息的场所，或者说它是上述各种数据构成的集合。4.人机界面这里的人机界面指的是最终用户与专家系统的交互界面。5.解释模块解释程序模块专门负责向用户解释专家系统的行为和结果。2020/4/24156.知识库管理系统知识库管理系统是知识库的支撑软件。知识库管理系统对知识库的作用，类似于数据库管理系统对数据库的作用，其功能包括知识库的建立、删除、重组；知识的获取（主要指录入和编辑）、维护、查询、更新；以及对知识的检查，包括一致性、冗余性和完整性检查等等。2020/4/2416专家系统的理想结构人机界面推理机解释模块动态数据库知识库自学习模块知识库管理系统2020/4/24171.产生世界第一个专家系统叫DENDRAL，它是由美国斯坦福大学的费根鲍姆教授于1965年开发的。DENDRAL的成功使人工智能研究向实用阶段过渡，标志专家系统的诞生。使人工智能的研究从推理为中心转向以知识为中心。2.发展与DENDRAL系统同时开发的，还有数学专家系统MACSYMA。它是一个大型的人机交互式系统。在医疗领域最具代表性的专家系统有MYCIN，是Shortiliffe等人1972年研制的用于诊断和治疗感染性疾病的医疗专家系统。它可以采用自然语言同用户对话，并回答用户的问题；还可以在专家指导下学习新的医疗知识。使用知识库和似然推理技术，对专家系统的理论和实践有较大贡献，成为以后许多专家系统的基础。专家系统的发展概况2020/4/2418PROSPECTER是STANFORD大学研制的基于语义网络的探矿专家系统，是第二代专家系统。3.趋势进入20世纪90年代，模糊技术、神经网络和面向对象、网络等新技术迅速崛起，为专家系统注入了新的活力。同时与传统计算机应用系统相融合。2020/4/2419关于知识表达知识表达是人工智能的基本问题之一。历史上已经提出了多种知识表达的方法。基于规则的表达方法语义网络表达方法状态空间表达方法其他2020/4/2420基于规则的表达方法规则是什么？IF（条件）THEN（结论）例子：IF（动物有毛发）THEN（动物是哺乳动物）IF（动物有奶）THEN（动物是哺乳动物）IF（动物有羽毛）THEN（动物是鸟）IF（动物会飞）并且（动物会产蛋）THEN（动物是鸟）2020/4/2421语义网络由实体-联系组成的网络来表达。实体包括类（class）和实例(instance)类：鸟，人实例：燕子，张三联系：各种语义联系IsA：ZhangSanIsAPersonKindOf/SubsetOf:StudentIsSubsetOfPersonpartof:实体-属性联系。德智体是评价学生的三个方面2020/4/2422一个例子PERSONSubsetOfSubsetOfSubsetOfProfessorStudentStaffZhangSanIsAAdvisor2020/4/2423状态空间表示法状态空间就是问题全部可能的状态考虑8数码问题的状态空间123847652020/4/2424用8个数字的位置来表示状态：9！用空格的移动表示操作：LeftRightUpDown123847652020/4/24256438571264381572643857126384571264385712LeftRightUpDown6485371264385271UpDown2020/4/2426基于规则的专家系统系统的主要部分是知识库和推理引擎。2020/4/2427基于规则的专家系统举例EMYCIN中，它提供了专门的规则语言来表示领域知识，基本的规则形式是：(IF〈前提〉THEN〈行为〉［ELSE〈行为〉])当前提为真时，该规则将前提与一个行为结合起来，否则与另一个行为结合起来，并且可以用一个-1到+1之间的数字来表示在该前提下行为的可信程度。如一条判断细菌类别的规则可表示如下：PREMISE:［＄AND(SAMECNTXTSITEBLOOD)(NOTDEFINITECNTXTIDENT)(SAMECNTXTSTAINGRAMNEG)(SAMECNTXTMORPHROD)(SAMECNTXTBURNT)]ACTION:(CONCLUDECNTXTIDENTPSEUDOMONASTALLY0.4)2020/4/2428其含意如下：如果培养物的部位是血液细菌的类别确不知道细菌的染色是革蓝氏阴性细菌的外形是杆状病人被严重地烧伤那么以不太充分的证据(可信程度0.4)说明细菌的类别是假单菌。在EMYCIN中，还提供了良好的用户接口，当用户对系统的某个提问感到不解时，可以通过WHY命令向系统询问为什么会提出这样的问题，并且对于系统所作出的结论，可以通过HOW命令向系统询问它是如何得出这个结论的。这一点对于诊断系统是极为重要的，用户可以避免盲目地按照系统所提供的策略去执行。2020/4/2429基于模型的专家系统基于模型的专家系统采用基于模型的推理方法。基于模型的推理方法是根据反映事物内部规律的客观世界的模型进行推理。有的人工智能研究者提出，运用启发式规则的推理为浅层推理，基于模型的推理为深层推理。浅层推理运用专家的经验，推理效率高，但解决问题的能力较低；深层推理由于接触了事物的本质内容，因此解决问题的能力强，但推理效率较低。因此，又发展了把浅层推理和深层推理结合起来的系统，并称为第二代专家系统。2020/4/2430如图所示，电路由一个开关、一个有两个接点的继电器和二个灯泡组成。如果接地良好，电源接通，且开关闭合，则灯泡就会亮。下图所示是这个电路的一个因果模型。如果电路发生故障，则有两种可能：一是操作错误，错误地设置了外部的开关或其它的控制；一是部件故障，某些部件已不能正常工作。专家系统应能识别这些错误并提出解决方法。在上面的例子中，如果电源接通、接地良好，开关和接点都是闭合的，但有一个灯泡不亮，则从图中看出有三种故障的可能：灯泡损坏，相应的接点故障未接通电源，或该接点没有接到电。利用因果模型完成诊断任务的基本过程可归纳如下：把技术装置用表明各部件的特性之间的因果关系的网络表示；给定装置的状态和一个故障特性，即观察值与期望值不同的特性。寻找对这种故障的解释，即提出发生故障的部件或错误的外部控制。2020/4/2431图所示为汽车启动部分的因果网络。在这里，汽车启动有三种条件：启动器必须使马达旋转，两个火花塞必须打火，且启动器的传输必须正常。启动器的旋转要求接电，从而要求电池已充电且接点闭合。火花塞的打火要求电缆正常，且点火圈供电等等。2020/4/2432建立专家系统的一般步骤专家系统设计与实现2020/4/2433知识获取知识获取是建造专家系统的关键一步，也是较为困难的一步，被称为建造专家系统的“瓶颈”。知识获取大体有三种途径。1.人工获取人工获取，即计算机人员（或知识工程师）与领域专家合作，对有关领域知识和专家知识，进行挖掘、搜集、分析、综合、整理、归纳，然后以某种表示形式存入知识库。2020/4/24342.半自动获取半自动获取，即利用某种专门的知识获取系统，采取提示、指导或问答的方式，帮助专家提取、归纳有关知识，并自动记入知识库。3.自动获取自动获取又可分为两种形式：一种是系统本身具有一种机制，使得系统在运行过程中能不断地总结经验，并修改和扩充自己的知识库；另一种是开发专门的机器学习系统，让机器自动从实际问题中获取知识，并填充知识库。目前面向对象、机器学习、知识发现、数据挖掘技术为知识获取提供了强有力的支持。2020/4/2435知识表示与知识描述语言设计知识表示与知识描述语言设计是根据所获得知识的特点，选择或设计某种知识表示形式，并为这种表示形式设计相应的知识描述语言。所谓知识描述语言，就是知识的具体语法结构形式。要求知识描述语言既能为用户提供一种方便、易懂的外部知识表达形式，又能将这种外部表示转换成容易存储、管理、运用的内部形式。2020/4/2436知识库与知识库管理系统设计知识库是专家系统的核心。知识库的质量直接关系到整个系统的性能和效率。知识的管理包括知识库的建立、删除、重组及维护和知识的录入、查询、更新、优化等，还有知识的完整性、一致性、冗余性检查和安全保护等方面的工作。知识管理由知识库管理系统负责。2020/4/24371.知识库设计知识库设计主要是设计知识库的结构，即知识的组织形式。专家系统（或知识工程