專家系統第2章專家系統概述

2024/11/11ExpertSystemsandApplication1Chapter2ExpertSystems

第2章專家系統概述

ES的研制促進了AI理論和技術的發(fā)展，開辟了計算機求解非數值問題的有效途徑。

ES已經成為世界各國最熱門的、具有競爭性的研究課題，日本、美國、英國等國家紛紛將ES列為國家重點研究項目，投入了大量的人力和資金。日本把ES作為第五代計算機研究的核心內容，英國將ES/智能數據庫列入國家四大重點項目。我國對于ES的研究起步較晚，但在理論研究和應用開發(fā)方面取得了很大進展，在中醫(yī)治療、油井記錄分析、地震預測、氣象預報、軍事理論、作戰(zhàn)模擬、戰(zhàn)場管理等方面研制出一批ES，取得了明顯的經濟效益和社會影響。2024/11/11ExpertSystemsandApplication2Chapter2ExpertSystems2.1ES概述專家——在某一專業(yè)領域內，其專業(yè)知識與解決問題的能力達到很高水平的學者。專家的能力——專家對某一領域的理解及解決問題的技能。專業(yè)知識——分為公開知識和個人知識。公開知識包括定義、事實和理論，一般收錄在教科書和文獻中。個人知識來源于專家本人的積累和經驗，也稱為試驗性知識或啟發(fā)性知識。屬于公開性知識之外的試驗性知識能夠使專家在需要的時候做出合理的猜測，識別最有希望獲得成功的求解途徑，并能有效地處理錯誤和不完全的數據。2024/11/11ExpertSystemsandApplication3Chapter2ExpertSystems（1）專家系統是利用存儲在計算機中的某一特定領域人類專家的知識，來解決過去需要人類專家才能解決的復雜現實問題的計算機系統。如：醫(yī)學專家可以針對不同的病癥做出恰當的診斷，并開具相應的處方；地質專家可以根據地質資料和勘探數據，判斷什么地方有礦及是否有開采價值；其他領域的專家可以依據他們的學識、積累的經驗和練就的本領，解決現實中一般人一時無法解決的復雜問題。（2）專家系統是一個由存放專門領域知識的數據庫，以及一個能選擇和運用知識的推理機制組成的計算機系統。（3）專家系統與傳統計算機程序的根本區(qū)別在于：專家系統使知識庫和運用知識的推理機制相互獨立。2024/11/11ExpertSystemsandApplication4Chapter2ExpertSystems4）從程序設計方法學的角度看設計方法

傳統的程序設計方法：數據+算法=程序專家系統的設計方法：知識+推理=系統可見，傳統程序通過算法對大量的數據進行積累和處理，使繁瑣的事務處理自動化；專家系統則要完成需要擁有專門知識的專家才能完成的量大而性質相對重要的任務，如診斷、規(guī)劃、決策等。通常，專家系統需要考察大量的可能性，即動態(tài)地建立解決問題的方法。2024/11/11ExpertSystemsandApplication5Chapter2ExpertSystems2.2ES的功能與結構2.2.1ES的功能（1）ES能存儲用于問題求解所需要的知識；（2）能存儲具體問題求解的初始數據和推理過程中涉及到的各種信息，如中間結果、目標、子目標、假設等；（3）能根據當前輸入或采集的數據，利用已有的知識，按照一定的推理策略解決當前的問題，并控制和協調整個系統；（4）能對推理過程、結論或系統自身行為做出必要的解釋，如解題步驟、處理策略、選擇此處理方法的理由、系統求解某種問題的能力、系統組織和管理自身知識的方法等。目的是便于用戶理解和接受專家系統，也便于對系統進行維護。2024/11/11ExpertSystemsandApplication6Chapter2ExpertSystems2.2.2專家系統的結構1）基本結構專家系統的基本結構包括知識庫和推理機兩個主要部分。特點：系統結構簡單；知識工程師與領域專家直接交互，知識工程師收集和整理領域專家的知識，將其轉化為系統的內部表示形式，并存儲到知識庫中；推理機根據用戶的問題求解要求和提供的初始數據，運用知識庫中的知識對問題進行求解，并將產生的結果（結論）輸出給用戶。知識庫知識工程師領域專家推理機結果數據用戶圖2-1專家系統的基本結構2024/11/11ExpertSystemsandApplication7Chapter2ExpertSystems2）一般結構專家系統的下述結構是目前比較流行的結構形式。人機接口用戶專家推理機解釋程序知識獲取程序綜合數據庫知識庫圖2-2專家系統的一般結構2024/11/11ExpertSystemsandApplication8Chapter2ExpertSystems（1）知識庫——用以存放領域專家提供的專門知識。包括書本知識、常識性知識以及專家依據其經驗得到的試探性知識。專家系統的問題求解是運用專家提供的專門知識來模擬專家的思維方式進行的，知識庫中知識的數量和質量是系統性能和問題求解能力的關鍵因素。因此，知識庫的建立是建造專家系統的中心任務。（2）綜合數據庫——用于存放關于問題求解的初始數據、求解狀態(tài)、中間結果、假設、目標以及最終求解結果。2024/11/11ExpertSystemsandApplication9Chapter2ExpertSystems（3）推理機——在控制策略下，針對綜合數據庫當前的信息，識別和選取知識庫對當前問題求解有用的知識進行推理。由于知識的不完全和不確定，故其推理過程一般采用不精確推理。（4）知識獲取程序——在專家系統的知識庫建造過程中，用以部分代替知識工程師進行專門知識的自動獲取，實現專家系統的自學習功能，使知識庫不斷得到完善。2024/11/11ExpertSystemsandApplication10Chapter2ExpertSystems（5）解釋程序——根據用戶的提問，對系統給出的結論、求解過程以及系統當前的求解狀態(tài)提供說明，便于用戶理解系統的問題求解，增強用戶對求解結果的信任程度，也便于專家或知識工程師發(fā)現和定位知識庫中的錯誤，也便于專業(yè)人員能從問題的求解過程中得到直觀的學習。（6）人機接口——將專家或用戶輸入的信息翻譯為系統可接受的內部形式，把系統向專家或用戶輸出的信息轉換成人能夠理解的外部形式。2024/11/11ExpertSystemsandApplication11Chapter2ExpertSystems2.3ES的基本特征1）具有人類專家水平的專門領域知識。2）具有符號處理能力。

專家系統使用符號推理，能用符號準確地表示某一領域有關的信息和知識，并對其進行各種處理和推理。3）具有一般問題的求解能力。

能夠做一般的邏輯推理、目標搜索、常識處理等工作。而且，專家系統往往采取試探性方式進行處理。為了使問題求解更符合實際情況，往往采用不精確推理。2024/11/11ExpertSystemsandApplication12Chapter2ExpertSystems4）復雜度與難度。

專家系統擁有專門領域知識，涉及的面一般比較窄，但卻具有相當的復雜程度與難度。5）具有解釋功能。解釋機制在專家系統建造時一般由一個獨立的模塊來實現，其設計水平的優(yōu)劣對專家系統的性能影響很大。6）具有一定的獲取知識的能力。7）知識與推理機構相互獨立。專家系統一般把知識與推理機構分開，使系統具有良好的可擴充性和可維護性。2024/11/11ExpertSystemsandApplication13Chapter2ExpertSystems

綜上所述，專家系統應該具有三個顯著的特征：啟發(fā)性——不僅能使用邏輯知識，也能使用啟發(fā)性知識，運用規(guī)范的專門知識和直覺的評判知識進行判斷、推理和聯想，實現問題的求解。透明性——使用戶在對專家系統不了解的情況下，可以進行交互，并了解知識的內容和推理思路。系統還能回答一些有關系統自身行為的問題。靈活性——由于專家系統的知識和推理機分離，使系統能不斷接納新知識，調整有關控制信息和結構，確保推理機和知識庫的協調，也便于系統的修改和擴充。2024/11/11ExpertSystemsandApplication14Chapter2ExpertSystems2.4ES的分類按照專家系統的應用領域分類醫(yī)療專家系統，勘探專家系統，數學專家系統等。按照知識表示技術分類基于邏輯的專家系統，基于規(guī)則的專家系統，基于語義的專家系統，基于框架的專家系統等。按照推理控制策略分類正向推理專家系統，反向推理專家系統，元控制專家系統等。按照分類問題與構造問題分類

分類問題與分析型專家系統，構造問題與設計型專家系統等。2024/11/11ExpertSystemsandApplication15Chapter2ExpertSystems2.5ES的作用和意義1）計算機科學和應用發(fā)展的需要。2）作為一種實用工具，為人類專家寶貴知識的保存、傳播、使用和評價提供有效的手段。3）可以延伸人類專家的能力。4）能匯集問題領域多個專家的知識和經驗。5）專家系統的研制和推廣應用具有巨大的經濟效益和社會效益。2024/11/11ExpertSystemsandApplication16Chapter2ExpertSystems2.6ES的優(yōu)點1）能夠高效率、準確、周到、迅速和不知疲倦地工作。2）解決實際問題時不受外界和周圍環(huán)境的影響，也不會發(fā)生遺漏和忘記。3）可以使人類專家的專長和能力不熟時間和空間的限制，以便推廣西貴和稀缺的人類專家的知識和經驗。4）專家系統能促進各領域的發(fā)展，能使各領域專家的專業(yè)知識和經驗得到總結和提煉，能廣泛的傳播專家的知識、經驗和能力。5）專家系統能匯集多領域專家的知識、經驗以及他們寫作解決重大問題的能力，使之擁有更淵博的知識、更豐富的經驗和更強的工作能力。2024/11/11ExpertSystemsandApplication17Chapter2ExpertSystems6）軍事專家系統的水平是一個國家國防現代化的重要標志之一。7）專家系統的研制和應用具有巨大的經濟效益和社會效益。8）研究