第三章專家系統(tǒng)

第三章專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)概述基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)新型專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)設計專家系統(tǒng)開發(fā)工具NOTE教學內容：本章主要介紹專家系統(tǒng)的定義、結構、特點和類型，分析了基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、基于框架的專家系統(tǒng)和基于模型的專家系統(tǒng)，歸納了協(xié)同式和分布式等新型專家系統(tǒng)，并結合實例介紹了專家系統(tǒng)的設計方法和開發(fā)工具。教學重點：專家系統(tǒng)的特點、專家系統(tǒng)的類型、專家系統(tǒng)的設計等。教學難點：專家系統(tǒng)的設計。教學要求：重點掌握專家系統(tǒng)的基本概念和設計，掌握基于規(guī)則、基于模型、基于框架的專家系統(tǒng)，了解新型專家系統(tǒng)的一些概念和類型，一般了解專家系統(tǒng)的開發(fā)工具以及評價方法。3.1專家系統(tǒng)概述專家系統(tǒng)（ExpertSystem，簡稱ES）是人工智能應用研究最活躍和最廣泛的課題之一。專家系統(tǒng)是一個含有大量的某個領域專家水平的知識與經驗智能計算機程序系統(tǒng)，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領域問題。簡而言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統(tǒng)。1專家系統(tǒng)的概念1.1什么是專家系統(tǒng)自從1965年世界上第一個專家系統(tǒng)DENDRAL問世以來，專家系統(tǒng)的技術和應用，在短短的30年間獲得了長足的進步和發(fā)展。特別是20世紀80年代中期以后，隨著知識工程技術的日漸豐富和成熟，各種各樣的實用專家系統(tǒng)如雨后春筍般地在世界各地不斷涌現。那么，究竟什么是專家系統(tǒng)呢？

專家系統(tǒng)（ExpertSystem)亦稱專家咨詢系統(tǒng)，它是一種智能計算機(軟件)系統(tǒng)。顧名思義，專家系統(tǒng)就是能像人類專家一樣解決困難、復雜的實際問題的計算機(軟件)系統(tǒng)。我們知道“專家”就是專門家，是某一專門領域的行家里手。專家之所以是專家，是因為他（她）解決問題時具有超凡的能力和水平。專家之所以具有超凡的能力和水平，是因為(1)專家擁有豐富的專業(yè)知識和實踐經驗，或者說他（她）擁有豐富的理論知識和經驗知識，特別是經驗知識；(2)專家具有獨特的思維方式，即獨特的分析問題和解決問題的方法和策略。

專家系統(tǒng)應該具備以下四個要素：(1)應用于某專門領域；(2)擁有專家級知識；(3)能模擬專家的思維；(4)能達到專家級水平。所以，準確一點講，專家系統(tǒng)就應該是：應用于某一專門領域，擁有該領域相當數量的專家級知識，能模擬專家的思維，能達到專家級水平，能像專家一樣解決困難和復雜的實際問題的計算機(軟件)系統(tǒng)。1.2專家系統(tǒng)的特點同一般的計算機應用系統(tǒng)（如數值計算、數據處理系統(tǒng)等）相比，專家系統(tǒng)具有下列特點：(1)從處理的問題性質看，專家系統(tǒng)善于解決那些不確定性的、非結構化的、沒有算法解或雖有算法解但在現有的機器上無法實施的困難問題。(2)從處理問題的方法看，專家系統(tǒng)則是靠知識和推理來解決問題（不像傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)使用固定的算法來解決問題），所以，專家系統(tǒng)是基于知識的智能問題求解系統(tǒng)。(3)從系統(tǒng)的結構來看，專家系統(tǒng)則強調知識與推理的分離，因而系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴充性。(4)專家系統(tǒng)一般還具有解釋功能，即在運行過程中一方面能回答用戶提出的問題，另一方面還能對最后的輸出（結論）或處理問題的過程作出解釋。(5)有些專家系統(tǒng)還具有“自學習”能力，即不斷對自己的知識進行擴充、完善和提煉。這一點是傳統(tǒng)系統(tǒng)所無法比擬的。(6)專家系統(tǒng)不像人那樣容易疲勞、遺忘，易受環(huán)境、情緒等的影響，它可始終如一地以專家級的高水平求解問題。1.3專家系統(tǒng)的類型關于專家系統(tǒng)的分類，目前還無定論。我們僅從幾個不同的側面對此進行討論。1.按用途分類按用途分類，專家系統(tǒng)可分為：診斷型、解釋型、預測型、決策型、設計型、規(guī)劃型、控制型、調度型等幾種類型。2.按輸出結果分類按輸出結果分類，專家系統(tǒng)可分為分析型和設計型。3.按知識表示分類目前所用的知識表示形式有：產生式規(guī)則、一階謂詞邏輯、框架、語義網等。4.按知識分類知識可分為確定性知識和不確定性知識，所以，按知識分類，專家系統(tǒng)又可分為精確推理型和不精確推理型（如，模糊專家系統(tǒng)）。5.按技術分類按采用的技術分類，專家系統(tǒng)可分為符號推理專家系統(tǒng)和神經網絡專家系統(tǒng)。6.按規(guī)模分類按規(guī)模分類，可分為大型協(xié)同式專家系統(tǒng)和微專家系統(tǒng)。7.按結構分類按結構分類可分為集中式和分布式，單機型和網絡型(即網上專家系統(tǒng))。1.4專家系統(tǒng)與知識系統(tǒng)我們知道，專家系統(tǒng)能有效地解決問題的主要原因在于它擁有知識，因為“知識就是力量”。但專家系統(tǒng)擁有的知識是專家知識，而且主要是經驗性知識。近年來，由專家系統(tǒng)的出現和發(fā)展而發(fā)展起來的一種稱為知識系統(tǒng)（KnowledgeBasedSystem)的智能系統(tǒng)，其中的知識已不限于人類專家的經驗知識，而可以是領域知識或通過機器學習所獲得的知識等。所以，對于這種廣義的知識系統(tǒng)來說，專家系統(tǒng)就是一種特殊的知識系統(tǒng)。

狹義地講，專家系統(tǒng)就是人類專家智慧的拷貝，是人類專家的化身。廣義地講，專家系統(tǒng)泛指那些具有“專家級”水平的的知識系統(tǒng)，甚至各種知識系統(tǒng)。1.5專家系統(tǒng)與知識工程由于專家系統(tǒng)是基于知識的系統(tǒng)，那么，建造專家系統(tǒng)就涉及到知識獲?。↘nowledgeAcquisition，即從人類專家那里或從實際問題那里搜集、整理、歸納專家級知識)、知識表示（KnowledgeRepresentation，即以某種結構形式表達所獲取的知識，并將其存儲于計算機之中)、知識的組織與管理(即知識庫（KnowledgeBase)建立與維護等)和知識的利用(即使用知識進行推理)等一系列關于知識處理的技術和方法。特別是一般知識庫系統(tǒng)的建立，更加促進了這些技術的發(fā)展。所以，現在關于知識處理的技術和方法已形成一個稱為“知識工程”（KnowledgeEngineering）的學科領域。這就是說，專家系統(tǒng)促使了知識工程的誕生和發(fā)展，知識工程又是為專家系統(tǒng)服務的。正是由于這二者的密切關系，所以，現在的“專家系統(tǒng)”與“知識工程”幾乎已成為同義語。1.6專家系統(tǒng)與人工智能;專家系統(tǒng)是智能計算機系統(tǒng)。從學科范疇講，專家系統(tǒng)屬人工智能的一個分支，而且是應用性最強、應用范圍最廣的一個重要分支。所以，現在“專家系統(tǒng)”這一名詞既是系統(tǒng)名稱又是一個學科名稱。專家系統(tǒng)已是當前計算機應用的一個熱門研究方向。2專家系統(tǒng)的結構

專家系統(tǒng)是一種計算機應用系統(tǒng)。由于應用領域和實際問題的多樣性，所以，專家系統(tǒng)的結構也就多種多樣。但抽象地看，它們還是具有許多共同之處。2.1概念結構從概念來講，一個專家系統(tǒng)應具有如圖1所示的一般結構模式。其中知識庫和推理機是兩個最基本的模塊。1.知識庫（KnowledgeBase)所謂知識庫，就是以某種表示形式存儲于計算機中的知識的集合。知識庫通常是以一個個文件的形式存放于外部介質上，專家系統(tǒng)運行時將被調入內存。知識庫中的知識一般包括專家知識、領域知識和元知識。元知識是關于調度和管理知識的知識。圖1專家系統(tǒng)的概念結構2.推理機（InferenseEngine）所謂推理機，就是實現（機器）推理的程序，是使用知識庫中的知識進行推理而解決問題的。所以，推理機也就是專家的思維機制，即專家分析問題、解決問題的方法的一種算法表示和機器實現。這里的推理，是一個廣義的概念，它既包括通常的邏輯推理，也包括基于產生式的操作。例如：A→BAB3.動態(tài)數據庫動態(tài)數據庫也稱全局數據庫、綜合數據庫、工作存儲器、黑板等，它是存放初始證據事實、推理結果和控制信息的場所，或者說它是上述各種數據構成的集合。4.人機界面這里的人機界面指的是最終用戶與專家系統(tǒng)的交互界面。5.解釋模塊解釋程序模塊專門負責向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為和結果。6.知識庫管理系統(tǒng)

知識庫管理系統(tǒng)是知識庫的支撐軟件。知識庫管理系統(tǒng)對知識庫的作用，類似于數據庫管理系統(tǒng)對數據庫的作用，其功能包括知識庫的建立、刪除、重組；知識的獲取（主要指錄入和編輯）、維護、查詢、更新；以及對知識的檢查，包括一致性、冗余性和完整性檢查等等。圖8―2專家系統(tǒng)的理想結構2.2實際結構上面介紹的專家系統(tǒng)結構，是專家系統(tǒng)的概念模型，或者說是只強調知識和推理這一主要特征的專家系統(tǒng)結構。但專家系統(tǒng)終究仍是一種計算機應用系統(tǒng)。所以，它與其它應用系統(tǒng)一樣是解決實際問題的。而實際問題往往是錯綜復雜的，比如，可能需要多次推理或多路推理或多層推理才能解決，而知識庫也可能是多塊或多層的。給通常的各種應用系統(tǒng)添上專家模塊也就是專家系統(tǒng)了。專家系統(tǒng)與通常的計算機應用系統(tǒng)應該溶為一體的。圖8―3專家系統(tǒng)的實際結構示例總控處理模塊1處理模塊n專家模塊1專家模塊m…………圖8―4地質圖件繪制智能輔助系統(tǒng)結構2.3網絡與分布式結構在網絡環(huán)境下，專家系統(tǒng)也可以設計成網絡結構，如“客戶機/服務器”(Client/Server)結構（如圖8―5(a)所示），或瀏覽器/服務器(Browser/Server)結構(如圖8-5(b)所示)。我們稱后一種結構的專家系統(tǒng)為網上專家系統(tǒng)。分布式結構則是一種適合于分布式計算環(huán)境的專家系統(tǒng)。例如那些多學科、多專家聯(lián)合作業(yè)，協(xié)同解題的大型專家系統(tǒng)，就可以設計成分布式結構。這類專家系統(tǒng)也就稱為分布式專家系統(tǒng)。圖8―5專家系統(tǒng)的客戶(機)/服務器結構及瀏覽器/服務器結構知識庫推理機推理機知識庫人—機界面人—機界面客戶（機）Browser服務員WebServerInternet2.4黑板模型“黑板模型”是一種典型而流行的專家系統(tǒng)結構模式。1.黑板所謂“黑板”，就是一個分層的全局工作區(qū)（或稱全局數據庫）。2.知識源所謂知識源，就是一個知識模塊。3.控制機構控制機構是求解問題的推理機構，由監(jiān)督程序和調度程序組成。圖8―6黑板結構監(jiān)督程序調度程序層次n..層次2層次1知識源1知識源2..知識源m

黑板模型適于求解那些大型復雜且可分解為一系列層次化的子問題的問題。例如，在HEARSAY―Ⅱ中，黑板被分為六個信息層，每個信息層對應著問題的一個中間表示層次。六個信息層分別為：(1)參數層：從語音信號中提取有意義的參數。有四種不同的參數，統(tǒng)稱為ZAPDASH參數。(2)片段層：用于描述系統(tǒng)對語音信號的分割與歸類。此層主要包含音素與單音等信息。(3)音節(jié)層：用于描述語音信號的音節(jié)劃分。此層主要為由片段層上信息構成的音節(jié)信息。(4)單詞層：用于記錄根據音節(jié)劃分所識別出的孤立詞信息。(5)詞組層：用于記錄根據單詞層中的詞匯所生成的詞組信息。(6)短語層：用于記錄多個詞匯或詞組構成的短語和句子信息。專家系統(tǒng)的特點三大特點啟發(fā)性透明性靈活性八大優(yōu)點專家系統(tǒng)的類型解釋專家系統(tǒng)預測專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)設計專家系統(tǒng)規(guī)劃專家系統(tǒng)監(jiān)視專家系統(tǒng)控制專家系統(tǒng)調試專家系統(tǒng)教學專家系統(tǒng)修理專家系統(tǒng)解釋專家系統(tǒng)任務通過對過去和現在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況特點數據量很大，常不準確、有錯誤、不完全能從不完全的信息中得出解釋，并能對數據做出某些假設，推理過程可能很復雜和很長例子語音理解、圖象分析、系統(tǒng)監(jiān)視、化學結構分析和信號解釋等。預測專家系統(tǒng)任務通過對已知信息和數據的分析與解釋，確定它們的涵義。特點系統(tǒng)處理的數據隨時間變化，且可能是不準確和不完全，系統(tǒng)需要有適應時間變化的動態(tài)模型例子有氣象預報、軍事預測、人口預測、交通預測、經濟預測和谷物產量預測等診斷專家系統(tǒng)任務根據觀察到的情況(數據)來推斷出某個對象機能失常(即故障)的原因特點能夠了解被診斷對象或客體各組成部分的特性以及它們之間的聯(lián)系，能夠區(qū)分一種現象及其所掩蓋的另一種現象，能夠向用戶提出測量的數據，并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷例子醫(yī)療診斷、電子機械和軟件故障診斷以及材料失效診斷等。設計專家系統(tǒng)任務尋找出某個能夠達到給定目標的動作序列或步驟。特點從多種約束中得到符合要求的設計；系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間；能試驗性地構造出可能設計；易于修改；能夠使用已有設計來解釋當前新的設計。例子VAX計算機結構設計專家系統(tǒng)等。規(guī)劃專家系統(tǒng)任務尋找出某個能夠達到給定目標的動作序列或步驟。特點所要規(guī)劃的目標可能是動態(tài)的或靜態(tài)的，需要對未來動作做出預測，所涉及的問題可能很復雜。例子軍事指揮調度系統(tǒng)、ROPES機器人規(guī)劃專家系統(tǒng)、汽車和火車運行調度專家系統(tǒng)等。監(jiān)視專家系統(tǒng)任務對系統(tǒng)、對象或過程的行為進行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應當具有的行為進行比較，以發(fā)現異常情況，發(fā)出警報。特點系統(tǒng)具有快速反應能力，發(fā)出的警報要有很高的準確性，能夠動態(tài)地處理其輸入信息。例子粘蟲測報專家系統(tǒng)?？刂茖＜蚁到y(tǒng)任務自適應地管理一個受控對象或客體的全面行為，使之滿足預期要求。特點控制專家系統(tǒng)具有解釋、預報、診斷、規(guī)劃和執(zhí)行等多種功能。例子空中交通管制、商業(yè)管理、自主機器人控制、作戰(zhàn)管理、生產過程控制和質量控制等。調試專家系統(tǒng)任務對失靈的對象給出處理意見和方法。特點同時具有規(guī)劃、設計、預報和診斷等專家系統(tǒng)的功能。例子在這方面的實例還比較少見。教學專家系統(tǒng)任務:教學專家系統(tǒng)的任務是根據學生的特點、弱點和基礎知識，以最適當的教案和教學方法對學生進行教學和輔導。特點(1)同時具有診斷和調試等功能。(2)具有良好的人機界面。例子MACSYMA符號積分與定理證明系統(tǒng)，計算機程序設計語言和物理智能計算機輔助教學系統(tǒng)以及聾啞人語言訓練專家系統(tǒng)等。修理專家系統(tǒng)任務對發(fā)生故障的對象(系統(tǒng)或設備)進行處理，使其恢復正常工作。修理專家系統(tǒng)具有診斷、調試、計劃和執(zhí)行等功能。例子美國貝爾實驗室的ACI電話和有線電視維護修理系統(tǒng)。此外，還有決策專家系統(tǒng)和咨詢專家系統(tǒng)等。Questions1．能根據學生的特點、弱點和基礎知識，以最適當的教案和教學方法對學生進行教學和輔導的專家系統(tǒng)是：A．解釋專家系統(tǒng)B．調試專家系統(tǒng)C．監(jiān)視專家系統(tǒng)D．教學專家系統(tǒng)2．用于尋找出某個能夠達到給定目標的動作序列或步驟的專家系統(tǒng)是：A．設計專家系統(tǒng)B．診斷專家系統(tǒng)C．預測專家系統(tǒng)D．規(guī)劃專家系統(tǒng)3．能對發(fā)生故障的對象（系統(tǒng)或設備）進行處理，使其恢復正常工作的專家系統(tǒng)是：A．修理專家系統(tǒng)B．診斷專家系統(tǒng)C．調試專家系統(tǒng)D．規(guī)劃專家系統(tǒng)4．能通過對過去和現在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況的專家系統(tǒng)是：A．修理專家系統(tǒng)B．預測專家系統(tǒng)C．調試專家系統(tǒng)D．規(guī)劃專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的結構和建造步驟專家系統(tǒng)的結構定義：專家系統(tǒng)各部分的構造方法和組織形式專家系統(tǒng)結構圖已學過的知識表示方法有哪些呢？理想專家系統(tǒng)結構圖專家系統(tǒng)的定義？專家系統(tǒng)程序與常規(guī)的應用程序之間有何不同呢?一般應用程序與專家系統(tǒng)的區(qū)別一般應用程序專家系統(tǒng)把問題求解的知識隱含地編入程序知識組織為兩級：數據級和程序級把其應用領域的問題求解知識單獨組成一個實體，即為知識庫。將知識組織成三級；數據、知識庫和控制。專家系統(tǒng)構造步驟3.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的工作模型基于規(guī)則的專家系統(tǒng)采用下面的模塊來建立產生式系統(tǒng)的模型：知識庫：以一套規(guī)則建立人的長期存儲器模型工作存儲器：存放人的短期存儲器模型，存放問題事實和由規(guī)則激發(fā)而推斷出來的新知識。推理機：借助于存放在工作存儲器中的問題事實和存放在知識庫內的規(guī)則結合起來，建立人的推理模型，以推斷出新的信息。基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的機構3.3基于框架的專家系統(tǒng)模型1、面向目標編程與基于框架設計基于框架的專家系統(tǒng)建立在框架的基礎之上采用面向目標編程技術框架的設計和面向目標的編程共享許多特征。在設計基于框架系統(tǒng)時，專家系統(tǒng)的設計者們把目標叫做框架。2、基于框架專家系統(tǒng)的結構類槽子類例子規(guī)則目標議程表3、基于框架專家系統(tǒng)的一般設計方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設計步驟與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)相似。主要差別在于如何看待和使用知識。在設計基于框架的專家系統(tǒng)時，把整個問題和每件事想像為編織起來的事物在辨識事物之后，尋找把這些事物組織起來的方法對于任何類型的專家系統(tǒng)，其設計是高度交互的過程。3.4基于模型的專家系統(tǒng)1、基于模型專家系統(tǒng)的提出人工智能的研究的一種觀點：人工智能是對各種定性模型的獲得、表達及使用的計算方法進行研究的學問?；谠撚^點人們提出了基于模型的專家系統(tǒng)。采用各種定性模型來設計專家系統(tǒng)，其優(yōu)點是顯而易見的。在諸多模型中，人工神經網絡模型的應用最為廣泛。2、基于神經網絡的專家系統(tǒng)

神經網絡模型從知識表示、推理機制到控制方式，與目前專家系統(tǒng)中的基于邏輯的心理模型有本質的區(qū)別。三種神經網絡模型與專家系統(tǒng)集成模式

（1）神經網絡支持專家系統(tǒng)以傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)為主，以神經網絡的有關技術為輔。（2）專家系統(tǒng)支持神經網絡以神經網絡的有關技術為核心，建立相應領域的專家系統(tǒng)，采用專家系統(tǒng)的相關技術完成解釋等方面的工作（3）協(xié)同式的神經網絡專家系統(tǒng)針對大的復雜問題，將其分解為若干子問題，針對每個子問題的特點，選擇用神經網絡或專家系統(tǒng)加以實現，在神經網絡和專家系統(tǒng)之間建立一種耦合關系4、神經網絡專家系統(tǒng)的基本結構

5、神經網絡專家系統(tǒng)的幾個問題討論（1）神經網絡的知識表示是一種隱式表示。（2）神經網絡通過實例學習實現知識自動獲取。（3）神經網絡的推理是個正向非線性數值計算過程，同時也是一種并行推理機制，神經網絡各輸出節(jié)點的輸出是數值，因而需要一個解釋器對輸出模式進行解釋。（4）同一知識領域的幾個獨立的專家系統(tǒng)可組合成更大的神經網絡專家系統(tǒng)。3.5新型專家系統(tǒng)協(xié)同式專家系統(tǒng)分布式專家系統(tǒng)3.5.1新型專家系統(tǒng)的特征1、并行與分布處理2、多專家系統(tǒng)協(xié)同工作3、高級語言和知識語言描述4、具有自學習功能5、引入新的推理機制6、具有自糾錯和自完善能力7、先進的智能人機接口3.5.2分布式專家系統(tǒng)主要目的：把一個專家系統(tǒng)的功能經分解以后分布到多個處理器上去并行地工作，從而在總體上提高系統(tǒng)的處理效率。環(huán)境要求：可以工作在緊耦合的多處理器系統(tǒng)環(huán)境中，也可工作在松耦合的計算機網絡環(huán)境里，所以其總體結構在很大程度上依賴于其所在的硬件環(huán)境。需要解決的問題：

功能分布

知識分布

接口設計

系統(tǒng)結構 驅動方式： 1、控制驅動 2、數據驅動 3、需求驅動 4、事件驅動3.5.3協(xié)同式專家系統(tǒng)一般專家系統(tǒng)解題的領域面很窄單個專家系統(tǒng)的應用局限性很大，很難獲得滿意的應用。協(xié)同式多專家系統(tǒng)是克服一般專家系統(tǒng)的局限性的一個重要途徑。協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱“群專家系統(tǒng)”，表示能綜合若干個相近領域的或一個領域的多個方面的子專家系統(tǒng)互相協(xié)作共同解決一個更廣領域問題的專家系統(tǒng)。系統(tǒng)更強調子系統(tǒng)之間的協(xié)同合作，而不著重處理的分布和知識的分布。設計與建立一個協(xié)同式多專家系統(tǒng)，需要解決的問題：

（1）任務的分解 （2）公共知識的導出 （3）討論方式 （4）裁決問題 （5）驅動方式3.6專家系統(tǒng)設計按照專家表達知識的方式，在系統(tǒng)設計過程中主要利用以下3個表達成分假設或結論觀測或觀察推理或決策規(guī)則。1、結論的表示

結論規(guī)定了所涉及專門知識的范圍。在EXPERT中，每個假設用簡寫的助記符號和用自然語言(中文、英語或其它設計者希望使用的語言)寫的正式的說明語句來表示。助記符號用于編寫決策規(guī)則時引用