第6章-專家系統(tǒng)

第六章專家系統(tǒng)作者朱福喜朱三元第六章專家系統(tǒng)6.1專家系統(tǒng)概述6.2知識(shí)獲取的直接方法6.3專家系統(tǒng)的解釋機(jī)制6.4專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具與環(huán)境6.5專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法6.6專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例

作者朱福喜朱三元6.1專家系統(tǒng)概述

6.1.1什么是專家系統(tǒng)6.1.2專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)6.1.3專家系統(tǒng)的特點(diǎn)6.1.4專家系統(tǒng)的類型6.1.5成功的專家系統(tǒng)簡(jiǎn)介作者朱福喜朱三元6.1.1什么是專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)ES(ExpertSystem)是一種具有大量專門知識(shí)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)，它能運(yùn)用特定領(lǐng)域一位或眾多專家提供的專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并采用推理技術(shù)模擬該領(lǐng)域中通常由專家才能解決的各種復(fù)雜問(wèn)題，其對(duì)問(wèn)題的求解可在一定程度上達(dá)到專家解決同等問(wèn)題的水平。作者朱福喜朱三元6.1.2專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一個(gè)專家系統(tǒng)一般由知識(shí)庫(kù)、全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)、解釋機(jī)制、知識(shí)獲取和用戶界面六個(gè)部分組成。知識(shí)庫(kù)事實(shí)性知識(shí)啟發(fā)性知識(shí)元知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)推理機(jī)解釋機(jī)知識(shí)獲取用戶界面一般用戶、領(lǐng)域?qū)＜?、AI專家作者朱福喜朱三元6.1.3專家系統(tǒng)的特點(diǎn)從總體上講，專家系統(tǒng)是一種具有智能的軟件（程序），是一種啟發(fā)式方法（弱方法）；專家系統(tǒng)求解是只有專家才能解決的復(fù)雜的不確定性問(wèn)題。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)講，專家系統(tǒng)包括描述問(wèn)題狀態(tài)的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，存放領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q問(wèn)題的啟發(fā)式經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的知識(shí)庫(kù)，以及利用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行推理的推理策略；專家系統(tǒng)在運(yùn)行中能不斷增加知識(shí)、修改原有知識(shí)，使專家系統(tǒng)解決問(wèn)題的能力和水平不斷提高；從外部功能看，專家系統(tǒng)模擬的是專家在問(wèn)題領(lǐng)域的推理，即模擬的是專家求解問(wèn)題的能力。作者朱福喜朱三元6.1.4專家系統(tǒng)的類型解釋型：診斷型：預(yù)測(cè)型：調(diào)試型：維修型：教育型：規(guī)劃型：設(shè)計(jì)型：監(jiān)督型：控制型：分析所采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而闡明這些數(shù)據(jù)的實(shí)際含義，典型的有信號(hào)理解和化學(xué)結(jié)構(gòu)解釋。根據(jù)輸入信息找出診斷對(duì)象中存在的故障，主要有醫(yī)療、機(jī)械和電子等領(lǐng)域里的各種診斷。例如，血液凝結(jié)疾病診斷系統(tǒng)CLOT、計(jì)算機(jī)硬件故障診斷系統(tǒng)DART、化學(xué)處理工廠故障診斷專家系統(tǒng)FALCON等，根據(jù)處理對(duì)象的過(guò)去和現(xiàn)狀推測(cè)未來(lái)的演變結(jié)果，典型的有天氣預(yù)報(bào)、人口預(yù)測(cè)和財(cái)政預(yù)報(bào)等。如各種氣象預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)、軍事沖突預(yù)測(cè)系統(tǒng)I&W等給出已知故障的排除方案，主要是有計(jì)算機(jī)輔助調(diào)試。如VAX/VMS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助調(diào)試系統(tǒng)TIMM/TUNER，石油鉆探機(jī)械故障的診斷與排除系統(tǒng)DRILLINGADVISOR等制定并實(shí)施糾正某類故障的規(guī)劃，典型的有航空和宇航電子設(shè)備的維護(hù)。如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)，電話電纜維護(hù)專家系統(tǒng)ACE，診斷排除內(nèi)燃機(jī)故障的DELTA專家系統(tǒng)等主要用于教學(xué)和培訓(xùn)任務(wù)，診斷和處理學(xué)生學(xué)習(xí)中的錯(cuò)誤，如GUIDON和STEMAMER等專家系統(tǒng)根據(jù)給定的目標(biāo)，擬定行動(dòng)計(jì)劃，典型的有機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃和路線規(guī)劃。如制定最佳行車路線的CARG專家系統(tǒng)，安排宇航員在空間站中活動(dòng)的KNEECAP，分子遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)MOLGEN等根據(jù)給定的要求形成所需要的方案或圖樣描述，典型的有電路設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)。如計(jì)算機(jī)的總體配置XCON系統(tǒng)，自動(dòng)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)PSI，超大規(guī)模集成電路輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)KBVLSI等主要用于實(shí)時(shí)檢測(cè)，典型的有空中交通控制和電站監(jiān)控。如航空母艦周圍空中交通系統(tǒng)AIRPLAN，核反應(yīng)堆事故診斷與處理系統(tǒng)REACTOR，高危病人監(jiān)護(hù)VM系統(tǒng)等自動(dòng)控制系統(tǒng)的全部行為，通常用于實(shí)時(shí)控制型系統(tǒng)，如商場(chǎng)管理、戰(zhàn)場(chǎng)指揮和汽車變速箱控制。如維護(hù)鉆機(jī)最佳鉆探流特征的MUD，MVS操作系統(tǒng)的監(jiān)督控制系統(tǒng)YES/MVS等作者朱福喜朱三元6.1.4專家系統(tǒng)的類型這十種任務(wù)類型之間相互關(guān)聯(lián)，彼此間形成一種由低到高的層次作者朱福喜朱三元6.1.5成功的專家系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1．DENDRAL化學(xué)分析專家系統(tǒng)（斯坦福大學(xué)1968）

2．MACSYMA符號(hào)數(shù)學(xué)專家系統(tǒng)（麻省理工1971）

3．MYCIN診斷和治療細(xì)菌感染性血液病的專家咨詢系統(tǒng)（斯坦福大學(xué)1973）

4．PROSPECTOR地質(zhì)勘探專家系統(tǒng)（斯坦福大學(xué)1976）作者朱福喜朱三元6.2知識(shí)獲取的直接方法6.2.1概述6.2.2知識(shí)獲取的直接方法6.2.3知識(shí)獲取的新進(jìn)展作者朱福喜朱三元6.2.1概述

1．專家系統(tǒng)中的知識(shí)專家系統(tǒng)中的知識(shí)有元知識(shí)和目標(biāo)知識(shí)之分。例如，在MYCIN系統(tǒng)中有這樣一個(gè)例子：

if⑴感染是骨盆膿腫，并且

⑵存在前提涉及腸桿菌的規(guī)則，并且

⑶存在前提涉及革蘭氏陽(yáng)性桿菌的規(guī)則

then先考慮涉及⑵的規(guī)則，后考慮涉及⑶的規(guī)則，CF=0.4

這是一條說(shuō)明規(guī)則的使用順序的元規(guī)則。作者朱福喜朱三元

2．知識(shí)庫(kù)及其組織與管理知識(shí)的組織決定了知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)。一般情況下，知識(shí)被按某種原則進(jìn)行分類，存放時(shí)按類進(jìn)行分塊分層存放，如分成目標(biāo)知識(shí)和元知識(shí)；每一塊、每一層又可再分塊、分層。如目標(biāo)知識(shí)又可分為專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、領(lǐng)域事實(shí)性知識(shí)等。因此，專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)一般采用層次結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。作者朱福喜朱三元3．知識(shí)獲取知識(shí)從計(jì)算機(jī)外部知識(shí)源到計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示的過(guò)程稱為知識(shí)獲取。知識(shí)獲取由領(lǐng)域?qū)＜?、知識(shí)工程師和計(jì)算機(jī)之間的一系列交互過(guò)程組成。知識(shí)獲取劃分為概念化、形式化和知識(shí)求精三個(gè)階段，要獲取一個(gè)好的知識(shí)庫(kù)，需要反復(fù)進(jìn)行這三個(gè)階段的工作。作者朱福喜朱三元知識(shí)畸變一般來(lái)說(shuō)，專家采用的語(yǔ)言與日常用語(yǔ)之間存在較大差異，而且當(dāng)脫離具體問(wèn)題環(huán)境時(shí)，專家對(duì)問(wèn)題求解的描述與實(shí)際采用的方法存在差別。這種現(xiàn)象稱為知識(shí)畸變。知識(shí)獲取方法可以分為三類：手工、半自動(dòng)和自動(dòng)。作者朱福喜朱三元6.2.2知識(shí)獲取的直接方法1.交談法2.觀察法3.個(gè)案分析4.多維技術(shù)作者朱福喜朱三元6.2.3知識(shí)獲取的新進(jìn)展知識(shí)獲取一直是專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的瓶頸，它的最終解決取決于知識(shí)的自動(dòng)獲取。一方面，從專家那里獲取領(lǐng)域知識(shí)；另一方面，人們注重從已有的普通的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取知識(shí)，用來(lái)指導(dǎo)工作，這就是人們常說(shuō)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)，且這種過(guò)程是自動(dòng)的。知識(shí)發(fā)現(xiàn)所能發(fā)現(xiàn)的知識(shí)有如下幾種:廣義型知識(shí)，反映同類事物共同性質(zhì)的知識(shí);特征型知識(shí)，反映事物各方面的特征知識(shí);差異型知識(shí)，反映不同事物之間屬性差別的知識(shí);關(guān)聯(lián)型知識(shí)，反映事物之間依賴或關(guān)聯(lián)的知識(shí);預(yù)測(cè)型知識(shí)，根據(jù)歷史的和當(dāng)前的數(shù)據(jù)推測(cè)未來(lái)數(shù)據(jù);偏離型知識(shí)，揭示事物偏離常規(guī)的異?，F(xiàn)象。作者朱福喜朱三元6.3專家系統(tǒng)的解釋機(jī)制6.3.1預(yù)制文本解釋法6.3.2路徑跟蹤解釋法6.3.3自動(dòng)程序員解釋法6.3.4策略解釋法作者朱福喜朱三元6.3.1預(yù)制文本解釋法它類似于一般應(yīng)用系統(tǒng)的出錯(cuò)處理知識(shí)工程師在設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)時(shí)，預(yù)先估計(jì)各種可能需要解釋的問(wèn)題，并把對(duì)每一個(gè)問(wèn)題的解釋以文本的形式插入程序代碼中。當(dāng)用戶輸入待解釋的語(yǔ)句時(shí)，系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的代碼，然后再根據(jù)這個(gè)代碼將相應(yīng)的解釋信息顯示給用戶。最大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并且可以很方便地解釋有關(guān)系統(tǒng)功能方面的問(wèn)題以及監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并在系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)，顯示相關(guān)的出錯(cuò)信息。作者朱福喜朱三元6.3.2路徑跟蹤解釋法通過(guò)跟蹤并重新顯示系統(tǒng)問(wèn)題求解過(guò)程的推理路徑和知識(shí)使用情況來(lái)解釋相關(guān)的用戶提問(wèn)。在路徑跟蹤解釋法中，解釋的深度是一個(gè)重要問(wèn)題。解釋層次的選擇與知識(shí)的表示方法有關(guān)。作者朱福喜朱三元6.3.3自動(dòng)程序員解釋法自動(dòng)程序員指一個(gè)生成專家系統(tǒng)的工具。在專家系統(tǒng)的構(gòu)造過(guò)程中，自動(dòng)程序員從最一般的抽象目標(biāo)經(jīng)過(guò)逐步求精產(chǎn)生專家系統(tǒng)的執(zhí)行程序，同時(shí)保留推理軌跡和相關(guān)的信息。實(shí)例：

作者朱福喜朱三元6.3.4策略解釋法向用戶解釋的是與問(wèn)題求解策略有關(guān)的規(guī)劃和方法，從策略的抽象表示及其使用過(guò)程中產(chǎn)生關(guān)于問(wèn)題求解的解釋。由D.W.Hasling等人提出，并由W.J.Clancey和R.Letsinger等人在NEOMYCIN系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。策略解釋法本質(zhì)上是基于元規(guī)則的一種路徑跟蹤法。作者朱福喜朱三元6.4專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具與環(huán)境通用編程語(yǔ)言(C/C++等)AI程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言生成工具骨架系統(tǒng)

通用知識(shí)工程語(yǔ)言專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)其它專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境工具與環(huán)境知識(shí)獲取工具

設(shè)計(jì)輔助工具

輔助工具建造輔助工具

人機(jī)接口

其它輔助工具作者朱福喜朱三元6.5專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法6.5.1專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的步驟6.5.2專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法作者朱福喜朱三元6.5.1專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的步驟成功地開(kāi)發(fā)一個(gè)專家系統(tǒng)必須要求領(lǐng)域?qū)＜摇⒅R(shí)工程師和用戶的密切配合，用戶提供需求，領(lǐng)域?qū)＜姨峁┲R(shí)和求解方法，知識(shí)工程師從專家獲得知識(shí)，并將其轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上。作者朱福喜朱三元6.5.1專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的步驟(1)問(wèn)題調(diào)研。知識(shí)工程師通過(guò)與領(lǐng)域?qū)＜液陀脩舻臏贤?，?duì)用戶的需求請(qǐng)專家分析，包括問(wèn)題難度與范圍、問(wèn)題類型、專家知識(shí)的可獲取性、預(yù)期效益等，并確定領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)構(gòu)，以及開(kāi)發(fā)所需的各種資源。(2)概念設(shè)計(jì)。把問(wèn)題求解所需的各種專門知識(shí)概念化，確定概念之間的關(guān)系，并對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分，確定求解問(wèn)題的控制流和約束條件，一般采用一種或幾種知識(shí)工程語(yǔ)言進(jìn)行描述和表示。(3)結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)。確定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、推理規(guī)則、控制策略，建立問(wèn)題求解模型，建立系統(tǒng)所需的基本功能，確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。(4)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。它依賴于硬件環(huán)境，主要是編碼和調(diào)試，也就是把建立的形式化模型映射到具體的計(jì)算機(jī)環(huán)境中，最終生成可執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。(5)測(cè)試維護(hù)。運(yùn)行大量的實(shí)例，檢測(cè)原型系統(tǒng)的正確性以及系統(tǒng)性能等各種目標(biāo)是否達(dá)到。通過(guò)測(cè)試，對(duì)反饋信息進(jìn)行分析，并進(jìn)行必要的修改，如重新認(rèn)識(shí)問(wèn)題，建立新的概念或修正概念之間的關(guān)系，完善知識(shí)的表示與組織，擴(kuò)展新知識(shí)，改進(jìn)推理方法等。作者朱福喜朱三元6.5.2專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法專家系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，需要建立一系列的原型，如演示原型、研究原型、領(lǐng)域原型、產(chǎn)品原型，最終建立商品化系統(tǒng)。演示原型；研究原型；領(lǐng)域原型；產(chǎn)品原型；商品化原型?？傊瑢＜蚁到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程是瀑布模型、增量式開(kāi)發(fā)方法和快速原型方法三者的有機(jī)結(jié)合。作者朱福喜朱三元6.6專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例6.6.1動(dòng)物識(shí)別專家系統(tǒng)6.6.2MYCIN專家系統(tǒng)作者朱福喜朱三元6.6.1動(dòng)物識(shí)別專家系統(tǒng)作者朱福喜朱三元6.6.1動(dòng)物識(shí)別專家系統(tǒng)1.知識(shí)庫(kù)本系統(tǒng)采用規(guī)則表示知識(shí)。每一條規(guī)則都是IF-THEN形式。IF代表規(guī)則的前提部分，它可以是多個(gè)條件的邏輯組合；THEN代表規(guī)則的結(jié)論部分，也可以是若干結(jié)論的組合。如本例的第二、五、九條規(guī)則：規(guī)則2：如果（該動(dòng)物能產(chǎn)乳）則（該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物）規(guī)則5：如果（該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物）且（有蹄）則（該動(dòng)物是有蹄類）規(guī)則9：如果（該動(dòng)物是有蹄類）且（有長(zhǎng)脖子）且（有長(zhǎng)腿）且（有暗斑點(diǎn)）則（該動(dòng)物是長(zhǎng)頸鹿）作者朱福喜朱三元6.6.1動(dòng)物識(shí)別專家系統(tǒng)2.推理機(jī)本例采用正向推理技術(shù)。其基本策略是：用戶通過(guò)人機(jī)界面輸入一批事實(shí)，推理機(jī)用這些事實(shí)，依次與知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則的前提匹配，若某規(guī)則的前提全被事實(shí)滿足，則規(guī)則可以得到運(yùn)用。規(guī)則的結(jié)論部分作為新的事實(shí)存儲(chǔ)。然后，用更新過(guò)的事實(shí)再與其它規(guī)則的前提匹配，直到不再有可匹配的規(guī)則為止。例如，某用戶要求系統(tǒng)識(shí)別某種動(dòng)物時(shí)，該用戶向系統(tǒng)所提供的事實(shí)有：該動(dòng)物有暗斑點(diǎn)、長(zhǎng)脖子、長(zhǎng)腿、產(chǎn)乳、有蹄。作者朱福喜朱三元推理過(guò)程示例暗斑點(diǎn)長(zhǎng)腿長(zhǎng)脖子有蹄有奶哺乳動(dòng)物有蹄類長(zhǎng)頸鹿作者朱福喜朱三元6.6.2