《人工智能》-第6章-專家系統(tǒng)

第6章專家系統(tǒng)6.1專家系統(tǒng)概述6.5新型專家系統(tǒng)6.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)6.6專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3基于框架的專家系統(tǒng)6.7專家系統(tǒng)開發(fā)工具6.4基于模型的專家系統(tǒng)6.8小結(jié)中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.1專家系統(tǒng)概述專家系統(tǒng)(expertsystem)是人工智能應(yīng)用研究最活躍和最廣泛的課題之一定義：是一個(gè)含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問(wèn)題的方法來(lái)處理該領(lǐng)域問(wèn)題

2中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所

6.1專家系統(tǒng)概述6.1.1專家系統(tǒng)特點(diǎn)專家系統(tǒng)具有一些共同的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)專家系統(tǒng)具有下列3個(gè)特點(diǎn)：

啟發(fā)性透明性靈活性專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)存在八個(gè)方面

3中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.1.2專家系統(tǒng)的類型

解釋專家系統(tǒng)預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)規(guī)劃專家系統(tǒng)6.1專家系統(tǒng)概述監(jiān)視專家系統(tǒng)控制專家系統(tǒng)調(diào)試專家系統(tǒng)教學(xué)專家系統(tǒng)修理專家系統(tǒng)4中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所1.解釋專家系統(tǒng)

(expertsystemforinterpretation)任務(wù)通過(guò)對(duì)過(guò)去和現(xiàn)在已知狀況的分析，推斷未來(lái)可能發(fā)生的情況特點(diǎn)數(shù)據(jù)量很大，常不準(zhǔn)確、有錯(cuò)誤、不完全能從不完全的信息中得出解釋，并能對(duì)數(shù)據(jù)做出某些假設(shè)推理過(guò)程可能很復(fù)雜和很長(zhǎng)例子語(yǔ)音理解、圖象分析、系統(tǒng)監(jiān)視、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析和信號(hào)解釋等6.1專家系統(tǒng)概述5中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所2.預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)

(expertsystemforprediction)任務(wù)通過(guò)對(duì)已知信息和數(shù)據(jù)的分析與解釋，確定它們的涵義。特點(diǎn)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化，且可能是不準(zhǔn)確和不完全系統(tǒng)需要有適應(yīng)時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)模型例子有氣象預(yù)報(bào)、軍事預(yù)測(cè)等6.1專家系統(tǒng)概述6中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所3.診斷專家系統(tǒng)

(expertsystemfordiagnosis)任務(wù)根據(jù)觀察到的情況(數(shù)據(jù))來(lái)推斷出某個(gè)對(duì)象機(jī)能失常(即故障)的原因特點(diǎn)能夠了解被診斷對(duì)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(xiàn)象及其所掩蓋的另一種現(xiàn)象能夠向用戶提出測(cè)量的數(shù)據(jù)，并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷例子有醫(yī)療診斷等6.1專家系統(tǒng)概述7中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所4.設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)

(expertsystemfordesign)任務(wù)尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟特點(diǎn)從多種約束中得到符合要求的設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間能試驗(yàn)性地構(gòu)造出可能設(shè)計(jì)，易于修改能夠使用已有設(shè)計(jì)來(lái)解釋當(dāng)前新的設(shè)計(jì)例子

VAX計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)等6.1專家系統(tǒng)概述8中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所5.規(guī)劃專家系統(tǒng)

(expertsystemforplanning)任務(wù)尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟特點(diǎn)所要規(guī)劃的目標(biāo)可能是動(dòng)態(tài)的或靜態(tài)的，需要對(duì)未來(lái)動(dòng)作做出預(yù)測(cè)所涉及的問(wèn)題可能很復(fù)雜例子軍事指揮調(diào)度系統(tǒng)、ROPES機(jī)器人規(guī)劃專家系統(tǒng)、汽車和火車運(yùn)行調(diào)度專家系統(tǒng)等。6.1專家系統(tǒng)概述9中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.監(jiān)視專家系統(tǒng)

(expertsystemformonitoring)任務(wù)對(duì)系統(tǒng)、對(duì)象或過(guò)程的行為進(jìn)行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應(yīng)當(dāng)具有的行為進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報(bào)特點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)具有快速反應(yīng)能力系統(tǒng)發(fā)出的警報(bào)要有很高的準(zhǔn)確性系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地處理其輸入信息例子粘蟲測(cè)報(bào)專家系統(tǒng)6.1專家系統(tǒng)概述10中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所7.控制專家系統(tǒng)

(expertsystemforcontrol)任務(wù)自適應(yīng)地管理一個(gè)受控對(duì)象或客體的全面行為，使之滿足預(yù)期要求特點(diǎn)控制專家系統(tǒng)具有解釋、預(yù)報(bào)、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(jī)器人控制、作戰(zhàn)管理、生產(chǎn)過(guò)程控制和生產(chǎn)質(zhì)量控制等6.1專家系統(tǒng)概述11中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所8.調(diào)試專家系統(tǒng)

(expertsystemfordebugging)

任務(wù)對(duì)失靈的對(duì)象給出處理意見和方法特點(diǎn)同時(shí)具有規(guī)劃、設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)和診斷等專家系統(tǒng)的功能例子在這方面的實(shí)例還比較少見6.1專家系統(tǒng)概述12中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所9.教學(xué)專家系統(tǒng)

(expertsystemforinstruction)特點(diǎn)同時(shí)具有診斷和調(diào)試等功能具有良好的人機(jī)界面例子MACSYMA符號(hào)積分與定理證明系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和物理智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)等6.1專家系統(tǒng)概述13中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所10.修理專家系統(tǒng)

(expertsystemforrepair)

任務(wù)對(duì)發(fā)生故障的對(duì)象(系統(tǒng)或設(shè)備)進(jìn)行處理，使其恢復(fù)正常工作功能有診斷、調(diào)試、計(jì)劃和執(zhí)行等功能例子ACI電話和有線電視維護(hù)修理系統(tǒng)6.1專家系統(tǒng)概述14中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.1.3專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和建造步驟定義：指專家系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)造方法和組織形式專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6.1專家系統(tǒng)概述知識(shí)庫(kù)推理機(jī)專家知識(shí)輸入或提問(wèn)答案圖6.1專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖15中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所圖6.2則為理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖接口用戶事實(shí)規(guī)則計(jì)劃議程中間解黑板知識(shí)庫(kù)解釋器執(zhí)行器調(diào)度器協(xié)調(diào)器6.1專家系統(tǒng)概述16中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所一般應(yīng)用程序與專家系統(tǒng)的區(qū)別：一般應(yīng)用程序

專家系統(tǒng)把問(wèn)題求解的知識(shí)隱含地編入程序。把知識(shí)組織為兩級(jí)：數(shù)據(jù)級(jí)和程序級(jí)。把其應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題求解知識(shí)單獨(dú)組成一個(gè)實(shí)體。即為知識(shí)庫(kù)。將知識(shí)組織成三級(jí)；數(shù)據(jù)、知識(shí)庫(kù)和控制。6.1專家系統(tǒng)概述17中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所知識(shí)化問(wèn)題圖6.3建立專家系統(tǒng)的步驟合法化概念化形式化規(guī)則化知識(shí)概念結(jié)構(gòu)形式規(guī)則再設(shè)計(jì)改進(jìn)重新闡述2.專家系統(tǒng)的建造步驟6.1專家系統(tǒng)概述18中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所3.建立系統(tǒng)的一般步驟如下設(shè)計(jì)初始知識(shí)庫(kù)問(wèn)題知識(shí)化知識(shí)概念化概念形式化形式規(guī)則化規(guī)則合法化原型機(jī)（prototype）的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)的改進(jìn)與歸納

規(guī)則6.1專家系統(tǒng)概述19中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所4.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)6.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)圖6.４專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖20中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所知識(shí)庫(kù)是問(wèn)題求解所需要的領(lǐng)域知識(shí)的集合，包括基本事實(shí)、規(guī)則和其他有關(guān)信息。知識(shí)的表示形式可以是多種多樣的，包括框架、規(guī)則、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)等等。推理機(jī)是實(shí)施問(wèn)題求解的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它實(shí)際上是對(duì)知識(shí)進(jìn)行解釋的程序，根據(jù)知識(shí)的語(yǔ)義，對(duì)按一定策略找到的知識(shí)進(jìn)行解釋執(zhí)行，并把結(jié)果記錄到動(dòng)態(tài)庫(kù)的適當(dāng)空間中。推理機(jī)的程序與知識(shí)庫(kù)的具體內(nèi)容無(wú)關(guān)，即推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)是分離的，這是專家系統(tǒng)的重要特征。它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)知識(shí)庫(kù)的修改無(wú)須改動(dòng)推理機(jī)，但是純粹的形式推理會(huì)降低問(wèn)題求解的效率。將推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)相結(jié)合也不失為一種可選方法。知識(shí)獲取負(fù)責(zé)建立、修改和擴(kuò)充知識(shí)庫(kù)，是專家系統(tǒng)中把問(wèn)題求解的各種專門知識(shí)從人類專家的頭腦中或其他知識(shí)源那里轉(zhuǎn)換到知識(shí)庫(kù)中的一個(gè)重要機(jī)構(gòu)。人機(jī)界面是系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交流時(shí)的界面。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)也稱為動(dòng)態(tài)庫(kù)或工作存儲(chǔ)器，是反映當(dāng)前問(wèn)題求解狀態(tài)的集合，用于存放系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的所有信息，以及所需要的原始數(shù)據(jù)，包括用戶輸入的信息、推理的中間結(jié)果、推理過(guò)程的記錄等。解釋器用于對(duì)求解過(guò)程做出說(shuō)明，并回答用戶的提問(wèn)。兩個(gè)最基本的問(wèn)題是“why”和“how”。21中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)（規(guī)則）工作存儲(chǔ)器（事實(shí)）推理機(jī)圖6.5基于規(guī)則的工作模型22中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所基于規(guī)則的專家系統(tǒng)采用下列

模塊來(lái)建立產(chǎn)生式系統(tǒng)的模型：知識(shí)庫(kù)以一套規(guī)則建立人的長(zhǎng)期存儲(chǔ)器模型工作存儲(chǔ)器建立人的短期存儲(chǔ)器模型，存放問(wèn)題事實(shí)和由規(guī)則激發(fā)而推斷出的新事實(shí)推理機(jī)借助于把存放在工作存儲(chǔ)器內(nèi)的問(wèn)題事實(shí)和存放在知識(shí)庫(kù)內(nèi)的規(guī)則結(jié)合起來(lái)，建立人的推理模型，以推斷出新的信息6.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)23中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.3基于框架的專家系統(tǒng)1.面向目標(biāo)編程與基于框架設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)建立在框架的基礎(chǔ)之上基于框架的專家系統(tǒng)采用面向目標(biāo)編程技基于框架的設(shè)計(jì)和面向目標(biāo)的編程共享許多特征在設(shè)計(jì)基于框架系統(tǒng)時(shí)，專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們把目標(biāo)叫做框架24中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所特征名稱值側(cè)面規(guī)則目標(biāo)議程表人類男人女人約翰李勇麗達(dá)王紅類（class）槽(Slots)子類（subclass)例子(instances)規(guī)則(rules)目標(biāo)議程表

(goalagenda)2.基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)6.3基于框架的專家系統(tǒng)圖6.6人類的框架分層結(jié)構(gòu)25中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所3.基于框架專家系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)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(shí)在設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)時(shí)，把整個(gè)問(wèn)題和每件事想像為編織起來(lái)的事物在辨識(shí)事物之后，尋找把這些事物組織起來(lái)的方法對(duì)于任何類型的專家系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是個(gè)高度交互的過(guò)程6.3基于框架的專家系統(tǒng)26中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.4基于模型的專家系統(tǒng)1.基于模型專家系統(tǒng)的提出關(guān)于人工智能的一個(gè)觀點(diǎn)綜合各種模型的專家系統(tǒng)比基于邏輯心理模型的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的功能，從而有可能顯著改進(jìn)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在諸多模型中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用最為廣泛27中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所2.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從知識(shí)表示、推理機(jī)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(zhì)的區(qū)別三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與專家系統(tǒng)集成模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)6.4基于模型的專家系統(tǒng)28中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6.4基于模型的專家系統(tǒng)知識(shí)獲取學(xué)習(xí)示例網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法解釋器專家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用戶知識(shí)庫(kù)推理機(jī)圖6.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)29中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個(gè)問(wèn)題討論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)表示是一種隱式表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)實(shí)例學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理是個(gè)正向非線性數(shù)值計(jì)算過(guò)程，同時(shí)也是一種并行推理機(jī)制同一知識(shí)領(lǐng)域的幾個(gè)獨(dú)立的專家系統(tǒng)可組合成更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)6.4基于模型的專家系統(tǒng)30中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.5新型專家系統(tǒng)6.5.1新型專家系統(tǒng)的特征并行與分布處理多專家系統(tǒng)協(xié)同工作高級(jí)語(yǔ)言和知識(shí)語(yǔ)言描述具有自學(xué)習(xí)功能引入新的推理機(jī)制具有自糾錯(cuò)和自完善能力

先進(jìn)的智能人機(jī)接口31中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.5.2分布式專家系統(tǒng)主要目的：把一個(gè)專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解以后分布到多個(gè)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?？梢怨ぷ髟诰o耦合的多處理器系統(tǒng)環(huán)境中，也可工作在松耦合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，所以其總體結(jié)構(gòu)在很大程度上依賴于其所在的硬件環(huán)境。6.5新型專家系統(tǒng)32中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分布式專家系統(tǒng)，需要解決的問(wèn)題：功能分布

把分解得到的系統(tǒng)各部分功能或任務(wù)合理均衡地分配到各處理節(jié)點(diǎn)上去知識(shí)分布

根據(jù)功能分布的情況把有關(guān)知識(shí)經(jīng)合理劃分以后分配到各處理節(jié)點(diǎn)上。接口設(shè)計(jì)各部分間接口的設(shè)計(jì)目的是要達(dá)到各部分之間互相通訊和同步容易進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一方面依賴于應(yīng)用的環(huán)境與性質(zhì)，另一方面依賴于其所處的硬件環(huán)境驅(qū)動(dòng)方式可供選擇的幾種驅(qū)動(dòng)方式(1)控制驅(qū)動(dòng)(2)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)(3)需求驅(qū)動(dòng)(4)事件驅(qū)動(dòng)6.5新型專家系統(tǒng)33中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.5.3協(xié)同式專家系統(tǒng)一般專家系統(tǒng)解題的領(lǐng)域面很窄協(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(gè)重要途徑。協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱“群專家系統(tǒng)”6.5新型專家系統(tǒng)34中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所設(shè)計(jì)與建立一個(gè)協(xié)同式多專家系統(tǒng)，

需要解決的問(wèn)題：任務(wù)的分解公共知識(shí)的導(dǎo)出討論方式驅(qū)動(dòng)方式6.5新型專家系統(tǒng)35中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.6專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為以下兩部分介紹以設(shè)計(jì)一個(gè)基于規(guī)則的維修咨詢系統(tǒng)為例，說(shuō)明專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。這一過(guò)程包括描述專家知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)和解釋決策等。專家知識(shí)的描述知識(shí)的使用和決策解釋36中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.6.1專家知識(shí)的描述結(jié)論的表示結(jié)論規(guī)定了所涉及專門知識(shí)的范圍觀測(cè)的表示觀測(cè)是得到結(jié)論所需要的觀察或量測(cè)結(jié)果推理規(guī)則的表示產(chǎn)生式規(guī)則是決策規(guī)則最為常用的表示形式可根據(jù)觀測(cè)和假設(shè)之間的邏輯關(guān)系分成3類：(1)FF規(guī)則)(2)FH規(guī)則

(3)HH規(guī)則6.6專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)37中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所6.6.2知識(shí)的使用和決策解釋結(jié)論的分級(jí)與選擇詢問(wèn)問(wèn)題的策略固定的順序根據(jù)具體情況作出某種選擇決策的解釋對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的解釋對(duì)系統(tǒng)使用者的解釋6.6專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)38中南大學(xué)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所