人工智能導(dǎo)論課件第6章第4-5節(jié)

1知識(shí)庫(kù)2推理機(jī)3其他部分第4節(jié)6.4專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)通常由人機(jī)交互界面、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取等6個(gè)部分構(gòu)成。其中尤以知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)相互分離而別具特色。專家系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)隨專家系統(tǒng)的類型、功

能和規(guī)模的不同，而有所差異。圖6-7專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6.4專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)是目前實(shí)現(xiàn)知識(shí)運(yùn)用最基本的方法。產(chǎn)生式系統(tǒng)由綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)3個(gè)主要部分組成，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)包含求解問(wèn)題的世界范圍內(nèi)的事實(shí)和斷言。知識(shí)庫(kù)包含所有用“如果：〈前提〉，于是：〈結(jié)果〉”（If-Then規(guī)則）形式表達(dá)的知識(shí)規(guī)則。推理機(jī)（又稱規(guī)則解釋器）的任務(wù)是運(yùn)用控制策略找到可以應(yīng)用的規(guī)則。6.4.1知識(shí)庫(kù)為了使計(jì)算機(jī)能運(yùn)用專家的領(lǐng)域知識(shí)，必須要采用一定的方式表示知識(shí)。常用的知識(shí)表示方式有產(chǎn)生式規(guī)則、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、框架、狀態(tài)空間、邏輯模式、腳本、過(guò)程、面向?qū)ο蟮取?.4.1知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)用來(lái)存放專家提供的知識(shí)。專家系統(tǒng)的問(wèn)題求解過(guò)程是通過(guò)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)來(lái)模擬專家的思維方式的，因此，知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)質(zhì)量是否優(yōu)越的關(guān)鍵所在，即知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平，也是專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“瓶頸”問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，專家系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)與專家系統(tǒng)程序是相互獨(dú)立的，用戶可以通過(guò)改變、完善知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)內(nèi)容來(lái)提高專家系統(tǒng)的性能。通過(guò)知識(shí)獲取，可以擴(kuò)充和修改知識(shí)庫(kù)中的內(nèi)容，也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)學(xué)習(xí)功能。6.4.2推理機(jī)推理機(jī)針對(duì)當(dāng)前問(wèn)題的條件或已知信息，反復(fù)匹配知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則，獲得新的結(jié)論，以得到問(wèn)題求解結(jié)果。在這里，推理方式可以有正向和反向推理兩種。正向鏈的策略是尋找出前提可以同數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)或斷言相匹配的那些規(guī)則，并運(yùn)用沖突的消除策略，從這些都可滿足的規(guī)則中挑選出一個(gè)執(zhí)行，從而改變?cè)瓉?lái)數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。這樣反復(fù)地進(jìn)行尋找，直到數(shù)據(jù)庫(kù)的事實(shí)與目標(biāo)一致即找到解答，或者到?jīng)]有規(guī)則可以與之匹配時(shí)才停止。6.4.2推理機(jī)逆向鏈的策略是從選定的目標(biāo)出發(fā)，尋找執(zhí)行后果可以達(dá)到目標(biāo)的規(guī)則；如果這條規(guī)則的前提與數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)相匹配，問(wèn)題就得到解決；否則把這條規(guī)則的前提作為新的子目標(biāo)，并對(duì)新的子目標(biāo)尋找可以運(yùn)用的規(guī)則，執(zhí)行逆向序列的前提，直到最后運(yùn)用的規(guī)則的前提可以與數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)相匹配，或者直到?jīng)]有規(guī)則再可以應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)便以對(duì)話形式請(qǐng)求用戶回答并輸入必需的事實(shí)。可見(jiàn)，推理機(jī)就如同專家解決問(wèn)題的思維方式，知識(shí)庫(kù)就是通過(guò)推理機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。6.4.3其他部分人機(jī)界面是系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交流時(shí)的界面。通過(guò)該界面，用戶輸入基本信息、回答系統(tǒng)提出的相關(guān)問(wèn)題，并輸出推理結(jié)果及相關(guān)的解釋等。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)專門用于存儲(chǔ)推理過(guò)程中所需的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)論，往往是作為暫時(shí)的存儲(chǔ)區(qū)。解釋器能夠根據(jù)用戶的提問(wèn)，對(duì)結(jié)論、求解過(guò)程做出說(shuō)明，因而使專家系統(tǒng)更具有人情味。1DEDRAL專家系統(tǒng)2振動(dòng)故障診斷的專家系統(tǒng)3自動(dòng)牙科識(shí)別第5節(jié)6.5經(jīng)典的專家系統(tǒng)近40多年來(lái)，人們建成了具有數(shù)以千計(jì)規(guī)則的專家系統(tǒng)，這些系統(tǒng)集成了眾所周知的經(jīng)過(guò)測(cè)試的方法來(lái)處理大量特定領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)。專家系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域中，如語(yǔ)言/自然語(yǔ)言理解、機(jī)器人學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)設(shè)備故障診斷、教育、評(píng)估和信息檢索等，人們己經(jīng)采用了混合智能方法。6.5經(jīng)典的專家系統(tǒng)1977年，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所就基于關(guān)幼波先生的經(jīng)驗(yàn)，研制成功了我國(guó)第一個(gè)“中醫(yī)肝病診治專家系統(tǒng)”。1985年10月中科院合肥智能所熊范綸建成“砂姜黑土小麥?zhǔn)┓蕦＜易稍兿到y(tǒng)”，這是我國(guó)第一個(gè)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)20多年努力，一個(gè)以農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)為重要手段的智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)在我國(guó)取得了引人矚目的成就，許多農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)遍地開花，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展發(fā)揮作用。中科院計(jì)算所史忠植與東海水產(chǎn)研究所等合作，研制了東海漁場(chǎng)預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)。在專家系統(tǒng)開發(fā)工具方面，中科院數(shù)學(xué)研究所研制了專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境“天馬”，中科院合肥智能所研制了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)工具“雄風(fēng)”，中科院計(jì)算所研制了面向?qū)ο髮＜蚁到y(tǒng)開發(fā)工具“OKPS”。6.5.1DENDRAL專家系統(tǒng)DENDRAL專家系統(tǒng)歷史悠久，這個(gè)項(xiàng)目開始于1965年，持續(xù)多年，涉及斯坦福大學(xué)的許多化學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家。無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)意義上還是在正式的分析和科學(xué)意義上，許多與人工智能發(fā)展有關(guān)的想法都是從這個(gè)項(xiàng)目開始的。例如，在早期，DENDRAL強(qiáng)有力地證明了生成和測(cè)試算法以及基于規(guī)則的方法能夠有效地建立專家系統(tǒng)。6.5.1DENDRAL專家系統(tǒng)DENDRAL的任務(wù)是列舉合理的有機(jī)分子化學(xué)結(jié)構(gòu)（原子鍵圖），輸入兩種信息：①分析儀器質(zhì)譜儀和核磁共振光譜儀的數(shù)據(jù)，②用戶提供的答案約束，這些約束可用從用戶可用的任何其他的知識(shí)源（工具或上下文）推導(dǎo)得到。6.5.1DENDRAL專家系統(tǒng)解釋如下：“正如費(fèi)根鮑姆（計(jì)算機(jī)科學(xué)家）所說(shuō)，過(guò)去還沒(méi)有將未知化合物的質(zhì)譜圖映射到其分子結(jié)構(gòu)的算法。因此，DENDRAL的任務(wù)是將人類專家萊德伯格（化學(xué)家，遺傳學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者）的經(jīng)驗(yàn)、技能和專業(yè)知識(shí)納入程序中，這樣程序就可以以人類專家的水平運(yùn)行。在開發(fā)DENDRAL的過(guò)程中，萊德伯格不得不學(xué)習(xí)很多關(guān)于計(jì)算的知識(shí)，正如費(fèi)根鮑姆不得不學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)一樣。顯然，對(duì)于費(fèi)根鮑姆而言，除了與化學(xué)有關(guān)的許多具體規(guī)則外，化學(xué)家還根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和猜想使用了大量啟發(fā)式知識(shí)。”6.5.1DENDRAL專家系統(tǒng)DENDRAL的輸入通常包含了所研究的如下化合物信息?；瘜W(xué)式，如C6H12O。未知有機(jī)化合物的質(zhì)譜圖。核磁共振光譜信息。然后，無(wú)須反饋，DENDRAL在3個(gè)階段執(zhí)行啟發(fā)式搜索，這稱為規(guī)劃-生成-測(cè)試。6.5.1DENDRAL專家系統(tǒng)（1）規(guī)劃——在這個(gè)階段，根據(jù)所有可能的原子構(gòu)型的集合中和質(zhì)譜推導(dǎo)出的約束一致的原子構(gòu)型集合，還原出答案。應(yīng)用約束，選擇必須出現(xiàn)在最終結(jié)構(gòu)中的分子片段，剔除不能出現(xiàn)的分子片段。（2）生成——使用名為CONGEN的程序來(lái)生成可能的結(jié)構(gòu)?！八幕A(chǔ)是組合算法（具有數(shù)學(xué)證明的完整性以及非冗余生成性）。組合算法可以產(chǎn)生所有在拓?fù)渖虾戏ǖ暮蜻x結(jié)構(gòu)。通過(guò)使用‘規(guī)劃’過(guò)程提供的約束進(jìn)行裁剪，引導(dǎo)生成合理的集合（即滿足約束條件的集合），而不是巨大的合法集合?！保?）測(cè)試——最后階段，根據(jù)假想中的質(zhì)譜結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的匹配程度，對(duì)生成的輸出結(jié)構(gòu)排列次序。6.5.1DENDRAL專家系統(tǒng)DENDRAL可以很迅速地將數(shù)百種可能的結(jié)構(gòu)縮減到可能的幾種或一種結(jié)構(gòu)。如果生成了幾種可能的結(jié)構(gòu)，那么系統(tǒng)將會(huì)列出這些結(jié)構(gòu)并附上概率。DENDRAL證明了計(jì)算機(jī)可以在一個(gè)有限的領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)得與人類專家相當(dāng)。在化學(xué)領(lǐng)域，它的表現(xiàn)高于或等于一個(gè)化學(xué)博士生。這個(gè)系統(tǒng)在美國(guó)的化學(xué)家中得到了廣泛的應(yīng)用。費(fèi)根鮑姆進(jìn)一步指出：很矛盾的是，DENDRAL的結(jié)構(gòu)闡釋能力既非常廣泛，也非常狹窄。一般來(lái)說(shuō)，DENDRAL能夠處理所有分子、環(huán)和樹狀。在約束條件下（純粹的儀器數(shù)據(jù)）對(duì)純結(jié)構(gòu)的闡釋，CONGEN的表現(xiàn)人類無(wú)法匹及……在這些知識(shí)密集型的專業(yè)領(lǐng)域，通常來(lái)說(shuō)，比起人類專家的表現(xiàn)，DENDRAL的表現(xiàn)不但快得多，而且更準(zhǔn)確。6.5.2振動(dòng)故障診斷的專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的重要作用之一是用于故障診斷。在昂貴、高速、關(guān)鍵機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，故障的早期準(zhǔn)確檢測(cè)非常重要。在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，異常情況的常見(jiàn)指標(biāo)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)。檢測(cè)到故障后，維護(hù)工程師能夠識(shí)別癥狀信息，解釋各種錯(cuò)誤信息和指示，并提出正確的診斷。換句話說(shuō)，識(shí)別可能導(dǎo)致故障的組件以及組件失敗的原因。機(jī)械裝置往往會(huì)有數(shù)百個(gè)零件，非常復(fù)雜。這將需要專業(yè)的領(lǐng)域知識(shí)來(lái)診斷和維修機(jī)械。決策表（DT）是一種緊湊、快速、準(zhǔn)確的求解問(wèn)題的方法（見(jiàn)第7章中的CarBuyer示例）。6.5.2振動(dòng)故障診斷的專家系統(tǒng)VIBEX專家系統(tǒng)結(jié)合了決策表分析（DTA）和DT，決策表分析是通過(guò)已知案例來(lái)構(gòu)建的，而DT是為了做出分類，使用歸納式知識(shí)獲取過(guò)程來(lái)構(gòu)建。VIBEXDT與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，比起ⅤIBEX（VIBrationExpert）TBL方法在處理振動(dòng)原因和發(fā)生概率較高的案例時(shí)，其診斷更有效率。人類專家合作構(gòu)建DTA，這最終得到了由系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)組成的規(guī)則集。然后，人們使用貝葉斯算法計(jì)算出規(guī)則的確定性因子。6.5.2振動(dòng)故障診斷的專家系統(tǒng)接下來(lái)，作為一種方便的方法，DT分析使用C4.5算法來(lái)系統(tǒng)地分解和分類數(shù)據(jù)。這要求給出表示振動(dòng)原因類別的定義，并要求表示振動(dòng)現(xiàn)象屬性的定義。這些振動(dòng)現(xiàn)象是樣本集所需的，供機(jī)器學(xué)習(xí)使用。C4.5使用示例進(jìn)行歸納推理來(lái)構(gòu)建決策樹。因此，它本身也作為振動(dòng)診斷工具使用。VIBEX嵌入了原因結(jié)果矩陣，包括了約1800個(gè)置信因子，這些置信因子適用于監(jiān)測(cè)和診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械。6.5.3自動(dòng)牙科識(shí)別鑒于司法取證的原因，能夠快速、準(zhǔn)確地評(píng)估牙科記錄是非常重要的。鑒于可用的數(shù)據(jù)龐大，特別是由于諸如戰(zhàn)爭(zhēng)、自然災(zāi)害和恐怖襲擊等大規(guī)模災(zāi)難，自動(dòng)識(shí)別牙科記錄是必要的，也是非常有用的。1997年，美國(guó)聯(lián)邦調(diào)查局的刑事司法信息服務(wù)部門（CJIS）成立了牙科工作組（DTF），以促進(jìn)創(chuàng)建自動(dòng)牙科識(shí)別系統(tǒng)（ADIS）。ADIS的目的是為數(shù)字化X光片和攝影圖像提供自動(dòng)搜索和匹配功能，這樣就可以為牙科取證機(jī)構(gòu)生成一個(gè)簡(jiǎn)短的清單。6.5.3自動(dòng)牙科識(shí)別系統(tǒng)架構(gòu)背后的理念是利用高級(jí)特征來(lái)快速檢索候選人名單。潛在的匹配搜索組件使用這張清單，然后使用低級(jí)的圖像特征縮短匹配清單、優(yōu)化候選清單。因此，架構(gòu)包括記錄預(yù)處理組件、潛在匹配搜索組件和圖像比較組件。記錄預(yù)處理組件處理以下5個(gè)任務(wù)：（1）記錄種植牙膠片。（2）加強(qiáng)膠片，補(bǔ)償可能的低對(duì)比度。（3）將膠片進(jìn)行分類，分成咬翼視圖、根尖周視圖或全景視圖。（4）在膠片中將牙齒進(jìn)行分隔。（5）在對(duì)應(yīng)的位置進(jìn)行標(biāo)記，注明牙齒。6.5.3自動(dòng)牙科識(shí)別Web-ADIS有3種操作模式：配置模式、識(shí)別模式和維護(hù)模式。配置模式用于微調(diào)，客戶使用識(shí)別模式獲取所提交記錄的匹配信息。維護(hù)模式用于上傳新參考記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并且能夠?qū)︻A(yù)處理服務(wù)器進(jìn)行更新。如今，系統(tǒng)真正達(dá)到了85%的驗(yàn)收率。6.5.3自動(dòng)牙科識(shí)別在那些定義明確的領(lǐng)域中存在著大量人類的專業(yè)技能和