《人工智能》（何澤奇）491-6教案 第15課 專家系統(tǒng)概述專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

PAGE6PAGE6PAGE5PAGE5課題專家系統(tǒng)概述專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)課時(shí)2課時(shí)（90min）教學(xué)目標(biāo)知識(shí)技能目標(biāo)：（1）熟悉專家系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)（2）掌握專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（3）熟悉專家系統(tǒng)的類型和應(yīng)用思政育人目標(biāo)：了解卓越創(chuàng)新科技，弘揚(yáng)精益求精、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、追求卓越的工匠精神教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：專家系統(tǒng)的類型和應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)：專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)教學(xué)方法講授法、討論法、問答法教學(xué)用具計(jì)算機(jī)、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)設(shè)計(jì)→→→傳授新知（30min）→→傳授新知（40min）→課堂練習(xí)（7min）→課堂小結(jié)（3min）→作業(yè)布置（2min）教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計(jì)意圖課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負(fù)責(zé)人取得聯(lián)系，讓其提醒同學(xué)通過文旌課堂APP或其他學(xué)習(xí)軟件，完成課前任務(wù)專家指在學(xué)術(shù)、技藝等方面有專門技能或?qū)I(yè)知識(shí)全面的人，請(qǐng)大家根據(jù)專家的概念了解一下什么是專家系統(tǒng)？【學(xué)生】完成課前任務(wù)通過課前任務(wù)，使學(xué)生了解本次課程的重點(diǎn)，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣考勤

（2min）【教師】通過文旌課堂APP讓學(xué)生簽到【學(xué)生】簽到，班干部交假條培養(yǎng)學(xué)生的組織紀(jì)律性，掌握學(xué)生的出勤情況問題導(dǎo)入（3min）【教師】提出以下問題，并邀請(qǐng)學(xué)生回答你所了解的有哪些專家系統(tǒng)，請(qǐng)舉例說(shuō)明?！緦W(xué)生】討論、舉手回答【教師】通過學(xué)生的回答引入要講的知識(shí)，并板書：專家系統(tǒng)本節(jié)課主要介紹專家系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)?！緦W(xué)生】聆聽通過問題導(dǎo)入的方法，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知

（30min）8.1專家系統(tǒng)概述8.1.1專家系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)【教師】講解專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)（expertsystem）是一個(gè)或一組能夠在某些特定領(lǐng)域，應(yīng)用大量的專家知識(shí)和推理方法解決復(fù)雜實(shí)際問題的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。換句話說(shuō)，專家系統(tǒng)含有某領(lǐng)域內(nèi)專家提供的大量專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過人工智能理論進(jìn)行推理和判斷，解決某些需要人類專家處理的復(fù)雜問題?！窘處煛坑肞PT展示“專家系統(tǒng)的特點(diǎn)”圖片，進(jìn)行介紹專家系統(tǒng)是早期人工智能的一個(gè)重要分支，它的主要特點(diǎn)如表8-1所示?！緦W(xué)生】聆聽、理解8.1.2專家系統(tǒng)的起源與發(fā)展20世紀(jì)60年代初，出現(xiàn)了一些運(yùn)用邏輯學(xué)去模擬人類心理活動(dòng)的通用問題求解程序，它們不僅可以證明定理，還可以進(jìn)行邏輯推理。但是針對(duì)大的實(shí)際問題，這些通用方法很難把實(shí)際問題改造成適合于計(jì)算機(jī)解決的形式，并且對(duì)于解題所需的巨大搜索空間也難于處理。1968年，斯坦福大學(xué)費(fèi)根鮑姆等人基于通用問題求解程序的成功與失敗經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合化學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，研制了世界上第一個(gè)專家系統(tǒng)——DENDRAL系統(tǒng)，用于推斷化學(xué)分子結(jié)構(gòu)?！窘處煛坑肞PT展示“專家系統(tǒng)的發(fā)展”圖片，進(jìn)行舉例說(shuō)明專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用、從一般推理策略探討轉(zhuǎn)向運(yùn)用專業(yè)知識(shí)求解問題的重大突破。目前，專家系統(tǒng)的發(fā)展過程已經(jīng)經(jīng)歷了3個(gè)階段，并正向第4個(gè)階段過渡和發(fā)展，每一階段的專家系統(tǒng)都各具特色，如圖所示?！緦W(xué)生】聆聽、理解8.1.3專家系統(tǒng)的類型從不同的角度，根據(jù)不同的方式，可以將專家系統(tǒng)劃分為不同的類型。（1）按用途分類，專家系統(tǒng)可分為解釋型、預(yù)測(cè)型、診斷型、設(shè)計(jì)型、規(guī)劃型、監(jiān)視型和教學(xué)型等多種類型。（2）按輸出結(jié)果分類，專家系統(tǒng)可分為分析型和設(shè)計(jì)型。（3）按知識(shí)表示分類，專家系統(tǒng)可分為一階謂詞邏輯、產(chǎn)生式規(guī)則、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和框架等。（4）按知識(shí)的確定性分類，專家系統(tǒng)可分為確定性知識(shí)推理和不確定性知識(shí)推理。（5）按采用的技術(shù)分類，專家系統(tǒng)可分為符號(hào)推理型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)型。（6）按規(guī)模分類，專家系統(tǒng)可分為大型協(xié)同式專家系統(tǒng)和微專家系統(tǒng)。（7）按結(jié)構(gòu)分類，專家系統(tǒng)可分為集中式和分布式，單機(jī)型和網(wǎng)絡(luò)型?！窘處煛坑肞PT展示“不同用途的專家系統(tǒng)描述”表格，進(jìn)行舉例說(shuō)明不同用途專家系統(tǒng)的具體描述如表8-2所示?！緦W(xué)生】聆聽、理解8.1.4專家系統(tǒng)的應(yīng)用【教師】用PPT展示“專家系統(tǒng)的應(yīng)用”表格，進(jìn)行講解當(dāng)前，專家系統(tǒng)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、化學(xué)、軍事、工程和數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，表8-3列舉了不同領(lǐng)域的典型專家系統(tǒng)。【學(xué)生】聆聽、理解【教師】講授卓越創(chuàng)新中相關(guān)知識(shí)內(nèi)容在2021年11月3日召開的2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院主持完成的7項(xiàng)成果榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。其中，農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃研究所周某團(tuán)隊(duì)牽頭完成的“主要糧食作物養(yǎng)分資源高效利用關(guān)鍵技術(shù)”，創(chuàng)建了基于產(chǎn)量反應(yīng)和農(nóng)學(xué)效率的推薦施肥新方法，研發(fā)了玉米、小麥和水稻推薦施肥養(yǎng)分專家系統(tǒng)（nutrientexpert，NE），創(chuàng)建了水田秸稈粉碎翻埋/旱地滅茬還田結(jié)合氮素調(diào)控的高效還田技術(shù)，研制出基于固氮解磷功能菌的微生物肥料產(chǎn)品，集成了主要糧食作物化肥減施增效技術(shù)模式，全面構(gòu)建了主要糧食作物養(yǎng)分資源高效利用的理論與技術(shù)體系，在大面積上實(shí)現(xiàn)了作物平均增產(chǎn)5%～10%，減施化學(xué)氮肥10%～30%，減施化學(xué)磷肥10%～20%，氮肥利用率提高10～15個(gè)百分點(diǎn)，大幅度提高了養(yǎng)分資源利用效率、作物產(chǎn)量和綜合效益?！緦W(xué)生】聆聽、記錄、理解通過教師的講解和課堂互動(dòng)，使學(xué)生了解專家系統(tǒng)的概念教師結(jié)合例子講解專家系統(tǒng)的發(fā)展課堂思政，新知導(dǎo)入（3min）【教師】講解新的知識(shí)自然演繹推理是指從一組已知為真的事實(shí)出發(fā)，直接運(yùn)用命題邏輯或謂詞邏輯中的推理規(guī)則推出結(jié)論的過程。【學(xué)生】聆聽【教師】導(dǎo)入新的知識(shí)點(diǎn)：自然演繹推理通過導(dǎo)入環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知（40min）8.2專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)【教師】用PPT展示“專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)”圖片，進(jìn)行講解專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括6部分，即知識(shí)庫(kù)、知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)接口和解釋機(jī)構(gòu)，它們之間的關(guān)系如圖所示。其中，知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是專家系統(tǒng)的核心?！緦W(xué)生】聆聽、理解8.2.1知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)領(lǐng)域內(nèi)專家提供的專業(yè)知識(shí)，包括事實(shí)、可行操作與規(guī)則等。建立知識(shí)庫(kù)時(shí)，需要解決兩個(gè)重要問題，即知識(shí)表示方法的選擇和知識(shí)獲取。知識(shí)表示方法的選擇選擇合適的知識(shí)表示方法是建立知識(shí)庫(kù)的首要任務(wù)。常用的知識(shí)表示方法有很多，如一階謂詞邏輯表示法、狀態(tài)空間表示法、產(chǎn)生式表示法、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法和框架表示法等，但是對(duì)于同一知識(shí)，不同的表示形式，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的效果不同。因此，選擇知識(shí)表示方法時(shí)應(yīng)從以下4個(gè)方面考慮。（1）知識(shí)表示方法能充分表示領(lǐng)域知識(shí)。（2）知識(shí)表示方法易于理解和實(shí)現(xiàn)。（3）知識(shí)表示方法有助于專家系統(tǒng)進(jìn)行推理。（4）知識(shí)表示方法便于對(duì)知識(shí)進(jìn)行組織、維護(hù)和管理。2．知識(shí)獲取知識(shí)獲取是設(shè)計(jì)和建造專家系統(tǒng)的關(guān)鍵，其目的是為專家系統(tǒng)獲取知識(shí)，并建立起完善、健全、有效的知識(shí)庫(kù)，滿足求解領(lǐng)域問題的需要，詳見8.2.2節(jié)。8.2.2知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)【教師】安排學(xué)生掃描二維碼“知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)”，了解知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)【學(xué)生】掃碼觀看、了解知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)知識(shí)獲取通常由知識(shí)工程師和專家系統(tǒng)中的知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)共同完成。知識(shí)工程師負(fù)責(zé)從領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑男畔⒅谐槿≈R(shí)，同時(shí)用合適的方法表示這些知識(shí)。知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)把知識(shí)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)的形式，然后再把它們存儲(chǔ)于知識(shí)庫(kù)中。因此，知識(shí)獲取也可理解為將用于問題求解的專業(yè)知識(shí)從某些知識(shí)源中提取出來(lái)，并轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)的表示形式存入知識(shí)庫(kù)中。下面詳細(xì)介紹知識(shí)獲取的過程和不同的知識(shí)獲取模式?！窘處煛刻嵝眩褐R(shí)源是指專家系統(tǒng)知識(shí)的來(lái)源，主要包括專家、數(shù)據(jù)庫(kù)、書本、研究案例和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)等。1.知識(shí)獲取的過程【教師】用PPT展示“知識(shí)獲取的過程”圖片，進(jìn)行知識(shí)講解目前，專家系統(tǒng)的知識(shí)源主要是領(lǐng)域?qū)＜?，因此，知識(shí)獲取的過程中需要知識(shí)工程師和領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行反復(fù)交流，共同合作才能完成，如圖所示?！緦W(xué)生】聆聽、理解【教師】重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)知識(shí)工程師的主要任務(wù)如下。（1）與領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行交流，獲取專家系統(tǒng)所需要的原始知識(shí)。（2）對(duì)原始知識(shí)進(jìn)行分析、整理和歸納等，形成自然語(yǔ)言描述的知識(shí)原理，并反饋給領(lǐng)域?qū)＜覚z查。（3）將確定的知識(shí)原理用知識(shí)表示方法表示出來(lái)。知識(shí)獲取過程中主要需要做4項(xiàng)工作，即抽取知識(shí)、轉(zhuǎn)換知識(shí)、輸入知識(shí)和檢測(cè)知識(shí)。（1）抽取知識(shí)是通過篩選、識(shí)別、歸納、理解等操作將蘊(yùn)含在知識(shí)源中的知識(shí)抽取出來(lái)，便于建立知識(shí)庫(kù)。例如，某氣象專家觀察發(fā)現(xiàn)幾乎每次下雨天空中都會(huì)烏云密布，則可歸納出知識(shí)“天空中烏云密布時(shí)，便會(huì)下雨”。（2）轉(zhuǎn)換知識(shí)是指將知識(shí)從一種表示形式轉(zhuǎn)換為另一種表示形式。例如，可用產(chǎn)生式表示法將知識(shí)“天空中烏云密布時(shí)，便會(huì)下雨”表示為“IF天空中烏云密布THEN會(huì)下雨”?！窘處煛刻嵝眩撼槿≈R(shí)和轉(zhuǎn)換知識(shí)都是由知識(shí)工程師完成的。（3）輸入知識(shí)是指知識(shí)經(jīng)過適當(dāng)?shù)木幾g之后存入知識(shí)庫(kù)中的過程。目前，輸入知識(shí)一般有兩種途徑，即利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的編譯軟件或利用知識(shí)編譯器（專門編制的知識(shí)編譯系統(tǒng)）輸入知識(shí)。（4）檢測(cè)知識(shí)是指檢測(cè)知識(shí)的一致性、冗余性和完整性等，盡量避免建立知識(shí)庫(kù)過程中出現(xiàn)的失誤影響專家系統(tǒng)的性能。【教師】提醒：輸入知識(shí)和檢測(cè)知識(shí)由知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)完成。通常情況下，建造專家系統(tǒng)時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際需要編制知識(shí)編輯器。2．知識(shí)獲取的模式不同專家系統(tǒng)的知識(shí)獲取模式不同，根據(jù)知識(shí)獲取的自動(dòng)化程度，可將知識(shí)獲取分為非自動(dòng)知識(shí)獲取、自動(dòng)知識(shí)獲取和半自動(dòng)知識(shí)獲取。【教師】用PPT展示“非自動(dòng)知識(shí)獲取過程”圖片，進(jìn)行舉例說(shuō)明（1）非自動(dòng)知識(shí)獲取也稱為人工移植，其獲取過程可用圖表示?！緦W(xué)生】聆聽、理解①知識(shí)工程師通過與領(lǐng)域?qū)＜医涣骰蜷喿x相關(guān)科學(xué)文獻(xiàn)獲取知識(shí)。②知識(shí)工程師用某種知識(shí)編輯器將知識(shí)輸入到知識(shí)庫(kù)中。（2）自動(dòng)知識(shí)獲取是指專家系統(tǒng)具有自動(dòng)獲取知識(shí)的能力，即專家系統(tǒng)可直接與領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)話，獲取系統(tǒng)所需要的知識(shí)，并從系統(tǒng)自身的運(yùn)行實(shí)踐中總結(jié)、歸納新的知識(shí)，不斷進(jìn)行自我完善，建立知識(shí)完善、性能優(yōu)良的知識(shí)庫(kù)。總之，在自動(dòng)知識(shí)獲取過程（見圖8-5）中，系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別和文字、圖像識(shí)別等替代了知識(shí)工程師與領(lǐng)域?qū)＜业慕涣骱蛯?duì)科學(xué)文獻(xiàn)的閱讀，系統(tǒng)的自我歸納理解翻譯替代了知識(shí)工程師對(duì)知識(shí)的抽取和轉(zhuǎn)化。【教師】用PPT展示“自動(dòng)知識(shí)獲取過程”圖片，進(jìn)行知識(shí)講解【學(xué)生】聆聽、理解【教師】提醒：從圖8-5中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)知識(shí)獲取過程中沒有知識(shí)編輯器，其原因是系統(tǒng)在執(zhí)行語(yǔ)音識(shí)別或文字、圖像識(shí)別時(shí)已經(jīng)將知識(shí)編譯成可存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)的形式，因此，經(jīng)過歸納理解翻譯后的知識(shí)可直接存儲(chǔ)于知識(shí)庫(kù)中。半自動(dòng)知識(shí)獲取是指在非自動(dòng)知識(shí)獲取的基礎(chǔ)上增加部分學(xué)習(xí)功能，使系統(tǒng)可以從大量原始知識(shí)中歸納出某些專業(yè)知識(shí)。8.2.3推理機(jī)推理機(jī)是專家系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)推理的部件，也是基于知識(shí)的推理在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，主要包括推理和控制兩個(gè)方面，如圖8-6所示。知識(shí)推理就是針對(duì)當(dāng)前問題的條件或已知事實(shí)，反復(fù)匹配知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則，獲得新的結(jié)論，直至得到問題的結(jié)果為止?！窘處煛坑肞PT展示“推理機(jī)的主要組成部分”圖片，進(jìn)行講解【學(xué)生】聆聽、理解8.2.4綜合數(shù)據(jù)庫(kù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)又稱為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，主要用于存放初始事實(shí)、問題描述和系統(tǒng)運(yùn)行過程中得到的中間結(jié)果和最終結(jié)果等信息。它是推理機(jī)工作必不可少的部分，同時(shí)它還記錄了推理過程中的有關(guān)信息，為解釋機(jī)構(gòu)回答用戶咨詢提供依據(jù)。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中必須具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行查詢、更新、維護(hù)和檢查等操作?！窘處煛刻嵝眩褐R(shí)庫(kù)和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)都屬于數(shù)據(jù)庫(kù)，但兩者間也存在著差異。知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容在專家系統(tǒng)運(yùn)行過程中是不改變的，只有知識(shí)工程師可通過人機(jī)接口和知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行管理。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容在專家系統(tǒng)運(yùn)行過程中是動(dòng)態(tài)變化的，不僅用戶可以通過人機(jī)接口輸入數(shù)據(jù)，推理過程中的中間結(jié)果也會(huì)存入其中。8.2.5人機(jī)接口人機(jī)接口是專家系統(tǒng)與用戶、領(lǐng)域?qū)＜?、知識(shí)工程師之間進(jìn)行交互的界面，它由一組程序和相應(yīng)的硬件設(shè)備組成，主要用于完成輸入和輸出工作。在輸入和輸出過程中，人機(jī)接口需要實(shí)現(xiàn)信息內(nèi)部表示形式與外部表現(xiàn)形式的相互轉(zhuǎn)換。8.2.6解釋機(jī)構(gòu)解釋機(jī)構(gòu)用于回答用戶提出的問題，并向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為，包括解釋推理結(jié)論的正確性和系統(tǒng)輸出某個(gè)解的原因等。【學(xué)生】聆聽、記錄、理解通過教師講解，讓學(xué)生掌握專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)課堂練習(xí)（7min）【教師】安排學(xué)生完成以下題目讓學(xué)生完成簡(jiǎn)答題（1）簡(jiǎn)述什么是專家系統(tǒng)。（2）簡(jiǎn)述專家系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類?！緦W(xué)生】完成練習(xí)通過課堂練習(xí)，了解學(xué)生學(xué)情課堂小結(jié)

（3min）【教師】簡(jiǎn)要總結(jié)本節(jié)課的要點(diǎn)（1）專家系統(tǒng)是一個(gè)或一組能夠在某些特定領(lǐng)域，應(yīng)用大量的專家知識(shí)和推理方法解決復(fù)雜實(shí)際問題的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。換句話說(shuō)，專家系統(tǒng)含有某領(lǐng)域內(nèi)專家提供的大量專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過人工智能理論進(jìn)行推理和判斷，解決某些需要人類專家處理的復(fù)雜問題。（2）專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括6部分，即知識(shí)庫(kù)、知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)接口和解釋機(jī)構(gòu)。【學(xué)生】總結(jié)回顧知識(shí)點(diǎn)總結(jié)知識(shí)點(diǎn)，鞏固學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的印象作業(yè)布置

（2min）【教師】布置課后作業(yè)（1）專家系統(tǒng)的核心是（）。A．知識(shí)庫(kù)和知識(shí)獲取機(jī)構(gòu) B．知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)C．知識(shí)庫(kù)和綜合數(shù)據(jù)庫(kù) D．綜合數(shù)據(jù)庫(kù)和推理機(jī)（2）建立知識(shí)