人工智能结课论文.doc

浅谈人工智能专家系统引言：人工智能(Artificial Intelligence) ，英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。 人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。专家系统是人工智能应用研究的一个重要领域。它实现了人工智能从理论研究走向实际应用，从一般思维方法探讨转入专门知识运用的重大突破。专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。(参考文献：1.2)摘要: 专家系统是人工智能应用研究的主要领域。专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，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领域问题的计算机程序系统。它运用于医疗、军事、地质勘探、教学、化工等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益。现在，专家系统已成为人工智能领域中最活跃、最受重视的领域。关键词：人工智能，专家系统正文：1、 什么是专家系统专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统内部含有大量的某个领域的专家水平的知识与经验，能够运用人类专家的知识和解决问题的方法进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，来解决该领域的复杂问题。目前，对什么是专家系统还没有一个严格公认的形式化定义。作为一种一般的解释，可以认为专家系统是一种具有大量专门知识与经验的智能程序系统，它能运用领域专家多年积累的经验和专门知识，模拟领域专家的思维过程，解决该领域中需要专家才能解决的复杂问题。从上述解释可以看出，专家系统包括以下三个方面的含义：(1) 专家系统是一种程序系统，但又具有智能，因此它不同于一般的程序系统，而是一种能运用专家知识和经验进行推理的启发式程序系统。(2) 专家系统的智能来源于领域专家的知识、经验及解决问题的诀窍。为此，专家系统内部必须包含有大量专家水平的领域知识与经验，并且能够在运行过程中不断的增长新知识和修改原有知识。(3) 专家系统所要解决的问题一般是那些本来应该由领域专家才能解决的问题。（参考文献：3.7.8）2、专家系统的基本结构专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。在其中，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。人工智能中的知识表示形式有产生式、框架、语意网络等，而在专家系统中运用得较为普遍的知识是产生式规则。产生式规则以IFTHEN的形式出现，就像编程语言里的条件语句一样，IF后面跟的是条件（前件），THEN后面的是结论（后件），条件与结论均可以通过逻辑运算AND、OR、NOT进行复合。在这里，产生式规则的理解非常简单：如果前提条件得到满足，就产生相应的动作或结论。产生式专家系统的知识库中包含了大量的规则，换言之，这里的知识库就是一个规则集。推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。在这里，推理方式可以有正向和反向推理两种。正向推理是从前件匹配到结论，反向推理则先假设一个结论成立，看它的条件有没有得到满足。由此可见，推理机就如同专家解决问题的思维方式，知识库就是通过推理机来实现其价值的。人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的存储区。解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈”问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。（参考文献：10）3、专家系统的特性（与人类专家相比）专家系统作为一个计算机程序系统具有如下几个特性：（1）不受时间限制：人类专家的工作时间有限，但专家系统是恒久，一旦开发完成，可随时使用，并可二十四小时持续运作。（2）操作成本低：人类专家稀少且昂贵，虽然专家系统的在起步发展时必须花一笔不小的经费，但日常操作的成本比起人类专家便宜许多。因此在专家不在或经济上请专家不合算的情况下，利用专家系统仍能处理与专家相等水准的工作。（3）易于传递及复制：专家与专家知识是稀有的资源，在知识密集的工作环境下，新进人员需要作相当多的训练，而关键人物的知识随着人事变动而不能储存，在传递起来亦是耗时费力。但专家系统则不然，它能轻易地将知识传递或复制。（4）具有一致性：人类专家在判断决策的结果常会因时或因人而异，而专家系统对于所处理的问题则具有一致性的输出。（5）可处理费时及复杂的问题：由于专家系统具有既定的知识库与严谨的推理程序，因此往往比人类专家还能胜任一些执行起来较费时、复杂度较高的工作。（6）需要庞大计算量的问题。另外，若工作的内容重复性很高，专家系统尤其能比人类专家有更佳的表现。（7）使用于特定领域：由于搜集知识库建构以及推理规则建构的有一定的困难，因此专家系统通常只使用于小范围的特定知识领域。而当问题的知识牵涉较广，或是没有一定的处理程序时，就必须靠人类专家的智慧来处理。4、专家系统的类型 通常，专家系统都是针对某一应用领域而建立的。不同应用领域的专家系统，其功能、设计方法及实现技术也各不同。对专家系统的类型，可以有多种不同的划分方法。例如，可以按求解问题的性质分类，也可以按求解问题的要求分类，还可以按系统的体系结构分类等。海叶斯-罗斯(F.Heyes-roth)等人按照求解问题的性质，将专家系统分为以下10种类型（1）诊断型专家系统：根据对症状的观察分析，推导出产生症状的原因以及排除故障方法的一类系统，如医疗、机械、经济等。 （2）解释型专家系统：根据表层信息解释深层结构或内部情况的一类系统，如地质结构分析、物质化学结构分析等。 （3）预测型专家系统：根据现状预测未来情况的一类系统，如气象预报、人口预测、水文预报、经济形势预测等。 （4）设计型专家系统：根据给定的产品要求设计产品的一类系统，如建筑设计、机械产品设计等。 （5）决策型专家系统：对可行方案进行综合评判并优选的一类专家系统。 （6）规划型专家系统：用于制定行动规划的一类专家系统，如自动程序设计、军事计划的制定等。 （7）教学型专家系统：能够辅助教学的一类专家系统。 （8）数学专家系统：用于自动求解某些数学问题的一类专家系统。 （9）监视型专家系统：对某类行为进行监测并在必要时候进行干预的一类专家系统，如机场监视、森林监视。(10) 修理型专家系统：修理型专家系统的任务是对发生故障的对象（系统或设备）进行处理，使其恢复正常工作。这类专家系统的主要特点是同时具有诊断、调试、计划和执行等功能。（参考文献：4.8.9）5、专家系统的建立和工作（1）专家系统的建立专家系统的建立必须遵循一定的程序一步步进行。一般来说，首先要确认欲解决的问题是那些，根据这些特定的需求找出相关的知识并将其概念化，并将这些概念加以组织整理成一个有系统的知识结构，如此便能初步形成一个知识库。接下来就必须订定一些涵盖上述知识的规则，这其中包含了推论技术与算法的选择、转译、推演等程序。必须特别注意的是，十分强调经由测试而往前回馈的循环，测试可以指出在前面的各个阶段的缺失，而在发展的过程中，需求、概念、组织结构与规则都是常常变动的，因此必须不断地重新组织，并加以精炼化。专家系统的开发小组通常是由一群学科领域专家、程序设计师知识工程师所组成，其中知识工程师在专家系统的建立中通常扮演着中枢的角色，他经由访问专家及其它方法，以决定系统内之决策法则与知识，并不断测试、修正，以开发出一个有效的专家系统。许多专家皆指出，撰写专家系统的最困难的部分就在于知识工程的层面，包括知识取得及知识表示。知识不但需要有知识工程的专业知识、各方面广泛的背景知识，同时亦应具备良好的沟通协调能力，因此有经验的知识工程师很少。（2）专家系统的工作流程专家系统的基本工作流程是，用户通过人机界面回答系统的提问，推理机将用户输入的信息与知识库中各个规则的条件进行匹配，并把被匹配规则的结论存放到综合数据库中。最后，专家系统将得出最终结论呈现给用户。在这里，专家系统还可以通过解释器向用户解释以下问题：系统为什么要向用户提出该问题（Why），计算机是如何得出最终结论的（How）。（参考文献：10.11.13）6、专家系统的应用实例上边谈了很多关于专家系统的理论知识，未免有些抽象，下面通过介绍一个专家系统的具体实例来对它达到更好的认识。这个专家系统是图书馆参考服务专家系统，以下就它的建立进行说明。（以下实例来自于网页.tw/ytchiang/，经笔者分析并参考相关资料后，删减改动。）参考服务专家系统的建构分为以下四个部分：（1）确立服务的范围、流程与相关知识：建立一个参考服务专家系统，首要的步骤即是确立服务的范围，列出清晰的作业步骤，并找出相关的知识与概念，如此才能建立出精确、完整的知识库与推论器。图书馆必须确认图书馆中那些工作是可以由专家系统来负责进行的。馆员必须要将问题分为数类，如必须花费大量时间的问题、令人厌烦的问题、经常重复的问题、馆员较喜欢处理的问题等。图书馆参考服务专家系统应提供何程度的服务，并无一定的标准，端赖图书馆想要使专家系统发挥何种效益而定。每个图书馆的服务宗旨不同，参考服务的表现不同，当然专家系统中所包含的数据及问题的类型均有差异，不过一般来说，大致可分为三种型态：启发式，中介式，深入式。（2）知识的萃取：知识的粹取可取材自不同的地方，除了人类专家的知识之外，如相关的教科书、手册、报告、数据库等都可以成为知识的来源。此程序通常是由知识工程师来主导进行，与专家洽谈，询问相关的问题以及解决的方式。因此，由于专家知识是专家系统的主要内涵，知识工程师必须尽可能不借持个人的知识作主观的判断解释，主动询问或导引专家，并在两者之间形成一个良好的沟通模式，才能使知识的粹取顺利进行。（3）知识的呈现：知识取得后，接着是如何将知识予以结构化。下列有几种表示专家知识的方法：法则：法则是最常用表示专家知识的方法，其标准的程序架构为若-则(If-then)，即评估一个情况，若状况为真，则采取行动。参考服务可以藉由拟订一些法则来解决一些推论性问题，举例如下：专家系统内法则的数量与程度比传统程序多上许多，而传统程序大概仅有50条到100条法则，而专家系统常具备数百至数千条法则。法则可以依据个别的需求将其作不同的的定义，因此提供相文件大的弹性，可以用来处理的不确定状况。框架：知识框架是组织知识的一种数据结构，运用对象导向的方式涵盖特定对象的所有知识。每一个特定的对象都包含了一个以上的属性，称为Slots，而每个性又有一至多个属性值，或事些设定的合理的范围，称为Facets。举例来说，我们可以将每个书给予一个框架：语意网络：语意网络是由由多个代表概念的点(Nodes)及连接点与点之间的弧(Arcs)所组成的一个网络。如图三所示，我们可以透过它将书藉与其它相关要素之间相互连结的关系图架构起来。（4）系统的发展要素：系统的发展要素不外乎发展工具与人员的运用两方面。首先解释该系统的发展工具：在发展参考服务专家系统时，最好先建立一个雏型化的系统，测试建立系统的不同方式，以发现最好的解决方案。专家系统一般可利用程序语言或专家系建构工具来加以开发；其次解释人员的运用：图书馆在开发参考服务专家系统时，虽然大部分建构工作的技术部分主要是由知识工程师与程序设计师完成的，但馆员在整个过程中亦是举足轻重的，必须参与整个开发的作业，以使建构出来的系统确能符合所需。馆员可以依其能力，及与其它专家合作的程度，适时地扮演这些角色：作为信息资源的专家，作为协调者，作为信息中介者，作为知识的工程师，进行使用研究，进行与外部资源的连结等等。（参考文献：2.13）7、专家系统的现状与发展前景专家系统运用于医疗、军事、地质勘探、教学、化工等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益。但与此同时，专家系统在开发使用中也存在着一下缺点:（1）知识获取的“瓶颈”。（2）另一种知识获取的困难就是多个领域专家的知识之间相互矛盾的处理。（3）知识“窄台阶”。（4）推理能力弱。（5）智能水平低。以上种种都是专家系统发展中存在着的一些限制，在未来的年代中，许多今日专家系统缺失将会被改善，相信未来专家系统应该继续研究的项目有:具有处理常识的能力；发展深层的推论系统；不同层次解释的能力；使