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第六章 专家系统,专家系统是人工智能应用研究的主要领域。七十年代中期，专家系统的开发获得成功。八十年代，专家系统在全世界得到迅速发展和广泛应用。 专家系统实质上为一计算机程序，它能够以人类专家的水平完成特别困难的某一专业领域的任务。在设计专家系统时，知识工程师的任务就是使计算机尽可能模拟人类专家解决某些实际问题的决策和工作过程、即模仿人类专家如何运用他们的知识和经验来解决所面临问题的方法、技巧和步骤。 专家系统是在产生式系统的基础上发展起来的。,6.1 产生式系统 产生式系统首先是由波斯特(Post)于1943年提出的产生式规则而得名的。 6.1.1 产生式系统的组成 产生式系统由三个部分组成：总数据库、产生式规则和控制策略 产生式规则是一个以“如果满足这个条件，就应当采取某些操作”形式表示的语句。 如：如果 某种动物是哺乳动物，并且吃肉。 那么 这种动物被称为食肉动物。,在产生式系统的执行过程中，如果某条规则的条件满足了，那么，这条规则就可以被应用。也就是说，系统的控制部分可以执行规则的操作部分。 产生式的两边（条件、结果）可用谓词逻辑、符号和语言的形式，或用很复杂的过程语言来表示。,总数据库是产生式规则的注意中心。产生式规则的左边表示在启用这一规则之前总数据库内必须准备好的条件。例如，上述例子中要得出该动物是食肉动物的结论之前，必须在总数据库中存有“该动物是哺乳动物”和“该动物吃肉”这两个事实。执行产生式规则的操作会引起总数据库的变化（该动物是食肉动物引入），以使其它产生式规则的条件可能被满足。 控制策略的作用是说明下一步应该选用什么规则，也就是如何应用规则。通常从选择规则到执行操作分三步：匹配、冲突解决、操作。（选规则 执行）,1. 匹配 在这一步，把当前数据库与规则的条件部分相匹配。 如果两者完全匹配时，则把这条规则称为触发规则。 当按规则的操作部分去执行时，称这条规则为启用规则。 被触发的规则不一定总是启用规则，因为可能同时有几条规则的条件部分被满足，这就要在解决冲突步骤中来解决这个问题。,2.冲突解决 当有一条以上规则的条件部分和当前数据库相匹配时，就需要决定首先使用哪一条规则，这称为冲突解决。有很多种冲突解决策略。 (1) 专一性排序 如果某一规则的条件部分规定的情况，比另一规则条件部分规定的情况更有针对性，则这条规则有较高的优先级。 (2) 上下文限制 把产生式规则按它们所描述的上下文分组，也就是说按上下文对规则分组。在某种上下文条件下，只能从与其相对应的那组规则中选择可应用的规则。,(3) 规则排序 如果规则编排的顺序就表示了启用的优先级，则称之为规则排序。 (4) 数据排序 把规则条件部分的所有条件按优先级次序编排起来，运行时首先使用在条件部分包含较高优先级数据的规则。 (5) 规模排序 按规则的条件部分的规模排列优先级。优先使用被满足的条件较多的规则。,(6) 就近排序 把最近使用的规则放在最优先的位置。 不同的系统，可使用上述这些策略的不同组合。 3. 操作 操作就是执行规则的操作部分，经过操作以后，当前数据库将被修改。然后，其它的规则有可能被触发和启用。,6.1.2 产生式系统示例 1. 用于综合的产生式系统 用于食品装袋的综合系统BAGGER 这是一个正向链接推理的产生式系统（从事实到目标）。这个系统的功能是把食品装入包装袋。 超级市场、网上购物、自动装袋、机器人系统。 整个装袋过程，可以分成以下几个阶段，或上下文。,(1) 核对定货 首先核，是否有遗漏，建议增加新食品。 (2) 大件物品装袋 先装入大件物品，如有大件瓶装物品应首先装入。 (3) 中件物品装袋 其次装入中件物品，如有冰激凌，先装入冷冻口袋。 (4) 小件物品装袋 把小件物品装入有空位的地方。 BAGGER系统采用上下文限制的控制策略，不同的规则只适用于不同的阶段。在各阶段可用规模排序策略进行冲突解决。,数据库、知识库中除规则外，还记录存放有关的当前状况（每个口袋所装物品的信息），有关物品的情况（大小、容器）。 假定开始处于订货阶段，待装袋物品有： 点心（2）、面包、炸土豆片、果酱、冰激凌、可乐 大 中 中 小 中 大 硬纸盒 塑袋 塑袋 罐 硬纸盒 瓶,B1：如 在核对阶段 有一袋炸土豆片、没有软饮料 则 增加一瓶可乐（面包、黄油） B2：如 在核对阶段 则 结束核对阶段、进入大件装袋阶段 B3：如 在大件装袋阶段 有一大件要装、有一瓶要装 有一口袋，己装大件少于6 则 把瓶装入,B4：如 在大件装袋阶段 有一大件要装、有一口袋，己装大件少于6 则 把该大件装入 B5：如 在大件装袋阶段 有一大件要装 则 启用一新口袋 B6：如 在大件装袋阶段 则 结束大件装袋阶段、进入中件装袋阶段 中件装袋、小件装袋阶段有相应规则，按匹配、冲突解决、操作步骤进行，直至待装物为0。,2. 用于分析的产生式（动物识别系统IDENTIFIER） 该系统用于分析和分类。它接收一组已知的事实，然后作出相应的结论。 (1) 产生式规则 为了区别动物园里的各种动物，用一条IF-THEN规则识别一种动物是可能的，但这样的方法很麻烦。因为结论只是简单的一句说明动物名子的句子，而条件部分需列举足够多的特征，才能正确区分。开始工作时，先收集所有事实，然后逐个比较产生式规则，求解。几百种动物需几百条规则。,一个比较好的方法是产生中间事实。用分组分层的分类形式。如动物识别系统先用几条规则判别动物属哺乳类动物或是鸟类，然后进一步细分。这样做的优点是涉及的规则少，容易理解，便于使用和建立规则。 以下例子把要识别的动物限制于7种。 猎豹、老虎、长颈鹿、斑马、鸵鸟、企鹅、海燕 目的： 1) 系统较全时，用于特征输入，动物识别。 2) 机器人识别，特征自动提取（颜色、形状）,先把哺乳动物和鸟类分开： 规则1：如 有毛发 则 哺乳动物 规则2：如 能产乳 则 哺乳动物 规则3：如 有羽毛 则 鸟类 规则4：如 能飞、能生蛋 则 鸟类 再用一些规则把哺乳动物和鸟类进一步分成更细的类别。这形成一种分层的分类形式。,规则5：如 哺乳动物 、吃肉 则 食肉动物 规则6：如 哺乳动物、有爪、有利齿、前视 则 食肉动物 规则7：如 哺乳动物 、有蹄 则 有蹄动物 规则8：如 哺乳动物 、反刍 则 有蹄动物，且偶蹄动物 规则5-8把哺乳动物又进一步分类为食肉动物和有蹄动物。这两类又可以利用以下规则进一步分类。这类似于模式识别中的决策树。,规则9：如 食肉动物、黄褐色、深色斑点 则 猎豹 规则10：如 食肉动物、黄褐色、黑色条纹 则 老虎 （食肉动物细分） 规则11：如 有蹄动物、长腿、长颈、黄褐色、深色斑点 则 长颈鹿 规则12：如 有蹄动物、黑白相间条纹 则 斑马 （有蹄动物细分） 规则13：如 鸟类、不会飞、长腿、长颈 则鸵鸟 （长腿、长颈出现在规则11中，但适用于不同分类，故两者不会引起混淆）,规则14：如 鸟类、不能飞、会游水、大块黑色和白色 则企鹅 规则15：如 鸟类、善飞 则海燕 （2）推理过程 由于观察到的事实描述不全，单纯正向推理对数据要求太高，不可行。可采用以下三步： 1) 初步匹配(正向) 2) 人机交互，补充 3) 反向推理(将来调图像),例如：首先观察到两个事实（1）颜色是黄褐色的（2）有深色斑点。 匹配条件部分，没有完全匹配的，只有其中两规则（9，11）的条件部分包含这两个事实。要得出结论需进一步信息（事实）。 这两个规则属食肉动物和有蹄动物两分支（哺乳动物支），需提示区分。如提问：吃肉、有爪、利齿、前视、有蹄、反刍等。选择其中可确认项,如有蹄。加入数据库，进一步匹配。,目前只有规则11可能。这时事实还是不够，可进一步把没能提供事实的其它条件提出：长腿？长颈？（假设是长颈鹿）。回答肯定是yes。结论：长颈鹿。并告诉你该动物的其它详细资料。 假设所需事实得证，这个逆向推理链就成功地结束。 产生式系统可以正向推理，也可以逆向推理，至于哪一个更好些，这个问题取决于推理的目标和搜索空间的形状。 如果目标是从一组给定事实出发，找到所有能推断出来的结论，那么产生式系统应该采用正向推理。 如果目标是证实或否定某一特定结论，那么产生式系统应该采用逆向推理，以免做很多无用的工作。,6.2 专家系统 6.2.1 专家系统的定义与类型 专家系统是一个具有大量的专门知识和经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决有关领域问题的计算机程序系统。 按专家系统求解问题的性质，可把它分成为下列几种类型。,1. 解释专家系统 解释专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。 解释专家系统具有下列特点： (1) 系统处理的数据量很大，而且往往是不准确的、有错误的或不完全的。 (2) 系统能够从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设。 (3) 系统的处理过程可能很复杂和很长，因而要求系统具有对自身的推理过程作出解释的能力。 例子有：语言理解、图像分析、化学结构分析等。,2. 预测专家系统 预测专家系统的任务是通过对过去和现在状况的分析，推断未来可能发生的情况。 预测专家系统具有以下特点： (1) 系统处理的数据随时间变化，而且可能是不准确的和不完全的。 (2) 系统需要有自适应时间变化的动态模型，能够从不完全和不准确的信息中得出预报，并达到快速响应的要求。 例子有：气象预报、人口预测、经济预测等。,3.诊断专家系统 诊断专家系统的任务是根据观察到的情况（数据）来推断出某个对象机能失常（即故障）的原因。 例子：国内外颇有名气的实例：用于抗生素治疗的MYCIN、肝功能检验PUFF、青光眼治疗CASNET、IBM公司的计算机故障诊断系统DART/DASD、雷达故障诊断系统等。,4. 设计专家系统 设计专家系统的任务是根据设计要求，求出满足设计问题约束的目标配置。 设计专家系统涉及电路设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、生产工艺设计等。比较有影响的有：VAX计算机设计专家系统R1、大规模集成电路设计专家系统等。（自动布线） 5. 规划专家系统 规划专家系统的任务在于寻找出某个能够达到给定目标的动作序列和步骤。 规划专家系统可用于机器人规划、交通运输调度等。,6. 监视专家系统 监视专家系统的任务在于对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以便发现异常情况，发出警报。 例子有：核电站安全监视、国家财政的监控。 7. 控制专家系统 控制专家系统的任务是自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。 不同对象可选用不同控制方案，同一对象在不同状态或阶段可采用不同的控制策略。,8.调试专家系统 对失灵的对象给出处理意见和方法。 特点 同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。 9. 教学专家系统 教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。 (1)同时具有诊断和调试等功能。 (2)具有良好的人机界面。 例子 MACSYMA符号积分与定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等。,10. 修理专家系统 对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。 例子 美国贝尔实验室的ACI电话和有线电视维护修理系统。 11. 决策专家系统 12. 咨询专家系统等。,6.2.2 专家系统的一般特点 1.特点:（1）启发性（2）透明性（3）灵活性 启发性表现在专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。世界上的大部分工作和知识都是非数学性的，靠推理进行思考的。 透明性表现在专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。像医疗专家对病人详细解释病因一样（为什么说他得某病、为什么用某种药）。 灵活性表现在专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。,2. 优点 (1) 能高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地工作。 (2) 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。 (3) 专家系统能汇集多领域专家的知识和经验，拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。等等。,6.2.3 专家系统的结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定。,例如，MYCIN系统的任务是疾病诊断与解释，其问题的特点是需要较小的可能空间、可靠的数据及比较可靠的知识，这就决定了它采用穷尽搜索空间和单链推理等较简单的控制方法和系统结构。与此不同的，HEARSAY-II系统的任务是进行口语理解，这一任务需要检索巨大的可能解空间，数据和知识都不可靠，缺少问题的比较固定的线路，经常需要猜测才能继续推理等。这些特点决定了HEARSAY-II必须采用比MYCIN更为复杂的系统结构。,专家系统的结构图,接口是人与系统进行信息交流的媒介，它为用户提供了直观方便的交互作用手段。 黑板是