專家系統(tǒng)綜述

1、專家系統(tǒng)綜述摘要綜述專家系統(tǒng)的基本概念、主要結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)方法以及在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用情況。關(guān)健詞：專家系統(tǒng)綜述1 1、什么是專家系統(tǒng)人工智能（ArtifieialInteligenee簡(jiǎn)稱Al）被譽(yù)為本世紀(jì)的三大科學(xué)技術(shù)成就之一，受到了世界各國(guó)的普遍重視。而60年代中期作為人工智能的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的專家系統(tǒng)（ExpertSystem簡(jiǎn)稱ES）的出現(xiàn)，使得人工智能的研究從實(shí)驗(yàn)室走向了現(xiàn)實(shí)世界。所謂專家系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)（或一組）能在某特定領(lǐng)域內(nèi).以人類專家水平去解決該領(lǐng)域中困難問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序?；蛘哒f(shuō)，專家系統(tǒng)是這樣一個(gè)系統(tǒng)：a.專家系統(tǒng)處理現(xiàn)實(shí)世界中提出的需要由專家來(lái)分析和判斷的復(fù)雜問(wèn)題。b.專家系

2、統(tǒng)利用專家推理方法的計(jì)算機(jī)模型來(lái)解決問(wèn)題，并且可以得到和專家相同的結(jié)論。由于專家系統(tǒng)的功能主要依賴于大量的知識(shí)，這些知識(shí)均存在知識(shí)庫(kù)中，通過(guò)推理機(jī)按一定的推理策略去解決問(wèn)題，所以它也被稱大知識(shí)基系統(tǒng)。專家系統(tǒng)是研究用解決某專門(mén)問(wèn)題的專家知識(shí)來(lái)建立人機(jī)系統(tǒng)的方法和技術(shù)。由于知識(shí)在專家系統(tǒng)中起著決定性作用，所以一般將建立專家系統(tǒng)的工作過(guò)程稱為知識(shí)工程。2 2、專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及分類2.1專家系統(tǒng)的墓本結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由圖1所示的六個(gè)部分組成。其中數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和人機(jī)接口是必不可少的部分。解釋部分、知識(shí)獲取部分是期望部分。下面分別介紹這些部分。與沖舉更隹打三，鋰a.知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)是

3、領(lǐng)域知識(shí)的存儲(chǔ)器。它存儲(chǔ)專家經(jīng)驗(yàn)、專門(mén)知識(shí)與常識(shí)性知識(shí)，是專家系統(tǒng)的核心部分。知識(shí)庫(kù)可以由事實(shí)性知識(shí)和推理性知識(shí)組成。知識(shí)是決定一個(gè)專家系統(tǒng)性能的主要因素。一個(gè)知識(shí)庫(kù)必須具備良好的可用性、確實(shí)性和完善性。要建立一個(gè)知識(shí)庫(kù)，首先要從領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@取知識(shí)即稱為知識(shí)獲取。然后將獲得的知識(shí)編排成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并存入計(jì)算機(jī)中，這就形成了知識(shí)庫(kù)，可供系統(tǒng)推理判斷之用。b.數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)領(lǐng)域內(nèi)的初始數(shù)據(jù)和推理過(guò)程中得到的各種信息。 數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的內(nèi)容是該系統(tǒng)當(dāng)前要處理的對(duì)象的一些事實(shí)。c推理機(jī)推理機(jī)是用來(lái)控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的。它根據(jù)當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)即數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，利用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，按一定的推理策略，去解決

4、當(dāng)前的問(wèn)題.并把結(jié)果送到用戶接口。在專家系統(tǒng)中，推理方式有：正向推理、反向推理、混合推理。在上述三種推理方式中，又有精確與不精確推理之分。因?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)是模擬人類專家進(jìn)行工作，所以推理機(jī)的推理過(guò)程應(yīng)與專家的推理過(guò)程盡可能一致。d.人機(jī)接口人機(jī)接口是專家系統(tǒng)與用戶通信的部分。 它既可接受來(lái)自用戶的信息， 將其翻譯成系統(tǒng)可接受的內(nèi)部形式，又能把推理機(jī)從知識(shí)庫(kù)中推出的有用知識(shí)送給用戶。e.解釋部分解釋部分能對(duì)推理給出必要的解釋。 這給用戶了解推理過(guò)程， 向系統(tǒng)學(xué)習(xí)和維護(hù)系統(tǒng)提供了方便。f.知識(shí)獲取部分知識(shí)獲取部分為修改、 擴(kuò)充知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)提供手段。 這里指的是機(jī)器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的知識(shí)獲取。它對(duì)于一干專家系

5、統(tǒng)的不斷完善、提高起著重要的作用。通常，它應(yīng)具備能刪除知識(shí)庫(kù)中不需要的知識(shí)及把需要的新知識(shí)加入知識(shí)庫(kù)中的功能。最好還具有能根據(jù)實(shí)踐結(jié)果，發(fā)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)中不合適的知識(shí)以及能總結(jié)出新知識(shí)的功能。知識(shí)獲取部分實(shí)際上是一種學(xué)習(xí)功能。專家系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)分離，系統(tǒng)允許在運(yùn)行過(guò)程中不斷修改知識(shí)，增加新知識(shí)，使系統(tǒng)性能不斷提高。綜上所述可知，一個(gè)專家系統(tǒng)不僅能提供專家水平的建議與意見(jiàn)，而且當(dāng)用戶需要時(shí)，能對(duì)系統(tǒng)本身行為作出解釋，同時(shí)還有知識(shí)獲取功能。專家系統(tǒng)的工作特點(diǎn)是運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行推量，因此知識(shí)獲?。òㄈ斯し绞降闹R(shí)獲取和機(jī)器學(xué)習(xí)）、知識(shí)表示和知識(shí)運(yùn)用是建造專家系統(tǒng)的三個(gè)核心部分。另外專家系

6、統(tǒng)強(qiáng)調(diào)符號(hào)處理，并希望有一個(gè)理想的人機(jī)接口，做到專家或用戶能以一種接近自然語(yǔ)言的語(yǔ)言甚至口語(yǔ)形式同系統(tǒng)進(jìn)行信息的交流。這些都是傳統(tǒng)程序所不具備的特點(diǎn)。如下表所示：表1專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)程序的比較特性專家系統(tǒng)傳統(tǒng)程序處理類型符號(hào)數(shù)字主要算符比較、選擇、分類、匹配和邏輯集、上下文關(guān)算數(shù)和邏輯3 3、專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具具很多，但從專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑看大致可劃分為四類：即用人工智能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、專用知識(shí)表示和處理語(yǔ)言、專家系統(tǒng)外殼和專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具箱（環(huán)境）。3.1通用人工智能語(yǔ)言目前最流行的人工智能語(yǔ)言是LISP、PROLOG和Smalltalk。它們都是適用于實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，且

7、各用其特點(diǎn)。LISP是函數(shù)型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有很強(qiáng)的符號(hào)和數(shù)據(jù)處理能力，其程序有可能隨著執(zhí)行而不斷被改進(jìn)和完善，因而具有一定的自學(xué)能力和智能性。PROLOG是一種用邏輯來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，具有很強(qiáng)的邏輯推理能力，很適合于表達(dá)人類的思維和推理規(guī)則.這是PROLOG語(yǔ)言在人工智能領(lǐng)域與LISP一樣被廣泛應(yīng)用的原因。Smlltalk語(yǔ)言是最有代表性的一個(gè)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言， 它對(duì)知識(shí)的描述方式的最大特點(diǎn)是具有很好的模塊性，并且類間接口清楚，便于分工開(kāi)發(fā)和調(diào)試。由于面向?qū)ο蟮姆椒ň哂斜姸嗟膬?yōu)點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到軟件界的重視。3.2專用知識(shí)表示和處理語(yǔ)言知識(shí)的處理雖然也包含著對(duì)數(shù)據(jù)的處理，但

8、主要是符號(hào)處理和邏輯處理，使用通用的人工智能程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)表示知識(shí)和處理知識(shí)，編程工作量大，需要較高的編程技巧。為解決這些困難和減少工作量， 人工智能學(xué)者又開(kāi)發(fā)了更專用的知識(shí)表示和處理語(yǔ)言， 如有代表性的FRL、OPSS和KEE等。它們?yōu)橹R(shí)表示提供了固定模式，應(yīng)用很方便。3.3專家系統(tǒng)外殼為了減少建造專家系統(tǒng)時(shí)的編程工作量，在知識(shí)表達(dá)、推理或執(zhí)行方式、解釋機(jī)構(gòu)以及學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)等方面預(yù)先形成基本固定的模式，類似于有了一個(gè)“空架子”，這個(gè)“空架子”就叫做專家系統(tǒng)外殼。專家系統(tǒng)外殼的出現(xiàn)使專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)大幅度降低，開(kāi)發(fā)速度大為提高。專家系統(tǒng)外殼按其用途可分為三類：基于規(guī)則的外殼系統(tǒng)、歸納型外殼系統(tǒng)

9、和基于混合知識(shí)表示的外殼系統(tǒng)。3.4專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具箱為了克服前三種開(kāi)發(fā)工具的缺點(diǎn)，軟件專家又設(shè)計(jì)了專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具箱。該工具箱給開(kāi)發(fā)者提供的既不僅僅是一個(gè)專家系統(tǒng)外殼，也不僅僅是簡(jiǎn)單的一種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，而是方便靈活、集成組織的、完整的一套工具。在專家系統(tǒng)的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中都有較方便適用的工具可供用戶選擇。系與分區(qū)模式、檢索和識(shí)別程序流程不確定確定 （過(guò)程流程和和終止可預(yù)測(cè)）執(zhí)行動(dòng)態(tài) （數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使得資源分配很難）靜態(tài)信息管理知識(shí)的表示和狀取復(fù)雜一般用構(gòu)造合理的數(shù)據(jù)對(duì)算法作出明確定義系統(tǒng)改進(jìn)允許繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)幾乎沒(méi)有在線改進(jìn)機(jī)制豕系統(tǒng)開(kāi)發(fā)4 4、如何建立專家系統(tǒng)建立專家系統(tǒng)通常包括以下幾個(gè)步驟。(

10、1)知識(shí)獲取知識(shí)獲取就是把解決問(wèn)題所用的專門(mén)知識(shí)從某些知識(shí)來(lái)源變換為計(jì)算機(jī)程序， 知識(shí)獲取由計(jì)算機(jī)方面的工程師一知識(shí)工程師來(lái)完成。(2)知識(shí)表達(dá)育式的選擇經(jīng)過(guò)多次和專家交換意見(jiàn)以及閱讀有關(guān)資料， 知識(shí)工程師逐漸熟悉這個(gè)專門(mén)領(lǐng)域中的專門(mén)知識(shí)以后，就可以選擇合適的知識(shí)表達(dá)方法。所選擇的知識(shí)表達(dá)方法應(yīng)該具有以下兩個(gè)性質(zhì)：a.一具有表達(dá)專家知識(shí)的能力；b.能簡(jiǎn)單和方便地描述、修改和解釋系統(tǒng)中的知識(shí)。此外還需要在以計(jì)算機(jī)表達(dá)知識(shí)的方便性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性之間加以平衡。(3)專家系統(tǒng)的建立a知識(shí)庫(kù)初步設(shè)計(jì)。這又包括以下三個(gè)主要步驟：?jiǎn)栴}定義：規(guī)定目標(biāo)、約束、知識(shí)來(lái)源、參加者以及他們的作用。概念化：詳細(xì)敘述向題

11、如何分解成子問(wèn)題；從假設(shè)、數(shù)據(jù)、中間推理、概念等方面來(lái)說(shuō)明每個(gè)子問(wèn)題的組成；這些概念化如何影響可能的執(zhí)行過(guò)程。問(wèn)題的計(jì)算機(jī)表達(dá)： 為在概念化階段中確定了的子問(wèn)題的各個(gè)組成部分選擇表達(dá)方式。 這是第一個(gè)要求計(jì)算機(jī)執(zhí)行的階段。在這一階段中信息流的研究以及概念和數(shù)據(jù)的連接將更為完善。b.原型的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)一旦選定了知識(shí)表達(dá)方法， 就可以著手執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)所需知識(shí)的原型子集。 這個(gè)子集的選擇是關(guān)鍵性的。它必須包括有代表性的知識(shí)樣本，這些知識(shí)樣本對(duì)整個(gè)模型來(lái)說(shuō)是有典型意義的，同時(shí)又必須只涉及對(duì)試驗(yàn)是足夠簡(jiǎn)單的子任務(wù)和推理過(guò)程。一旦原型產(chǎn)生了可接受的推理，這個(gè)原型就要擴(kuò)展以包括它必須解釋的各種更為詳細(xì)的問(wèn)題。

12、然后，用更復(fù)雜的情況來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。這些比較復(fù)雜的情況以后將被用作改善知識(shí)庫(kù)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)集。這些試驗(yàn)的結(jié)果一定會(huì)對(duì)問(wèn)題的基本組成以及它們之間的關(guān)系作出許多調(diào)整。c.知識(shí)庫(kù)的改進(jìn)和推廣如果要達(dá)到專家那樣很高的水平，這個(gè)階段將要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。然而,經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，有可方面，達(dá)到令人相當(dāng)滿意的性能。5 5、專家系統(tǒng)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例機(jī)械制造中的工藝設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造間的紐帶。由于工藝設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度很高，長(zhǎng)期以來(lái)都由人工來(lái)完成。西安交通大學(xué)的XJDCAP是一工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，它采用框架來(lái)描述零件和記錄工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，用產(chǎn)生式規(guī)則表示車(chē)、銃、鉆、磨、熱處理工藝設(shè)計(jì)中的決策知識(shí)，用反向設(shè)計(jì)方式，

13、進(jìn)行模糊推理，可輸出合理完善的工藝文件及CNC機(jī)床程序。下面簡(jiǎn)略地介紹此系統(tǒng)的情況。XJDCAP系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖2。系統(tǒng)采用GCLISP語(yǔ)言編寫(xiě)，以回轉(zhuǎn)體零件為主要對(duì)象，工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入為零件模型，輸出為工藝文件。系統(tǒng)的輸入和輸出由框架處理模塊完成，設(shè)計(jì)由工藝決策模塊和規(guī)則集完成，數(shù)據(jù)庫(kù)作為系統(tǒng)的支持工具。系統(tǒng)中由零件模型和規(guī)則集組成知識(shí)庫(kù)。圖3XJDCCAP系統(tǒng)組成圖零件的描述回轉(zhuǎn)體零件的形體組成可分成兩部分：基本形體及其特征要素。系統(tǒng)的基本形體包括：外圓柱、外圓錐、成形面、內(nèi)圓柱孔、內(nèi)圓錐孔等；特征要素包括內(nèi)外倒角、內(nèi)外螺紋、內(nèi)外圓角、內(nèi)外割槽、端面槽、滾花、鍵槽、外平面、軸向或

14、徑向輔助孔。零件的信息可以表示為一棵樹(shù)，具有樹(shù)干、樹(shù)枝和分枝。樹(shù)形的數(shù)據(jù)組織和框架的形式一樣，所以選用框架來(lái)形成零件的設(shè)計(jì)模型，它以嵌套的聯(lián)合表形式存入計(jì)算機(jī)中用框架表示零件的模型可使零件描述得完整、準(zhǔn)確、并易于建立、修改和檢索，也易于被產(chǎn)生式系統(tǒng)所接受。系統(tǒng)樞架與標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu)的區(qū)別是聯(lián)結(jié)表的嵌套層次可以變化。工藝設(shè)計(jì)過(guò)程規(guī)則基工藝設(shè)計(jì)知識(shí)用產(chǎn)生式規(guī)則表示，其形式為：(RULEnumberIFconditionTHENActioncfv),其中number為規(guī)則號(hào)，conditions是條件，可以是多層的AND、OR、NOT嵌套，action是結(jié)論，可以是多條，cfv是可信度，值從-1到+1。

15、若規(guī)則無(wú)cfv值則為純規(guī)則，用來(lái)選用其它規(guī)則或確定其它參數(shù)。系統(tǒng)中有300多條規(guī)則，按類存貯和調(diào)用，以提高搜索效率，規(guī)則分如下幾類：1、毛坯選擇規(guī)則.2、最終加工方法選擇規(guī)則3、工序內(nèi)容確定和排序規(guī)則4、機(jī)床選擇規(guī)則5、裝夾方式選擇規(guī)則6、加工余量確定規(guī)則7、切削用量選擇規(guī)則（2）推理與搜索系統(tǒng)采用反向推理方式，即從零件的最終形狀和技術(shù)參數(shù)開(kāi)始，逐步安排可達(dá)到當(dāng)前零件狀態(tài)的加工工序，并不斷修改零件模型，直到零件不再需要加工形成毛坯為止。這樣的反向推理方式與人的設(shè)計(jì)思維過(guò)程接近。而且零件的設(shè)計(jì)要求作為唯一的目標(biāo)，避免了盲目性，易保證質(zhì)量。最終加工方法確定，對(duì)于每一基本形體，按照工件材料和它的技術(shù)

16、要求等等因素，適用的加工方法可能不止一個(gè)。系統(tǒng)采用逆向推理獲得最佳解。即用目的制異規(guī)則給出該基本形體可能的加工方法，把這些加工方法再作為假設(shè)結(jié)論（目的），然后調(diào)用可形成這個(gè)結(jié)論的規(guī)則，判別規(guī)則中的條件是否存在。如果條件中的事實(shí)能從零件模型和已編的工藝內(nèi)容中得到，則直接判斷其存在性。否則，將事實(shí)再作為子目的（結(jié)論）繼續(xù)查找下去。這樣決定基本形體最終成形方法的推理過(guò)程就是一個(gè)AND、OR樹(shù)，搜索方法就是深度優(yōu)先法。取可信度最大的那個(gè)結(jié)論為最終結(jié)論。6 6、專家系統(tǒng)的展望知識(shí)工程未來(lái)的發(fā)展，將對(duì)人類生活與社會(huì)產(chǎn)生重大的影響。事實(shí)上，專家系統(tǒng)并不能完全取代人與專家的地位，而是幫助人與專家，將工作推進(jìn)至另一更具智慧的層次。由于專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立，具有相當(dāng)高的難度需要相當(dāng)多人力的投入，而