第9节-专家系统(15).ppt

第六讲专家系统 主要内容基于规则的专家系统基于框架的专家系统 基于模型的专家系统 几种新型的专家系统 专家系统的的设计与开发 题目二 基本遗传算法及其在函数优化中的应用 要求 要求 深刻理解遗传算法原理 在此基础上编程实现基本遗传算法 并通过4个函数优化问题对算法的性能进行评价 考察和培养学生对课本的 遗传算法 的知识点综合理解和运用 以及编程的动手能力 字数 4000 5000字左右 专家系统是人工智能应用研究的主要领域 70年代中期 专家系统的开发获得成功 正如专家系统的先驱费根鲍姆 Feigenbaum 所说 专家系统的力量是从它处理的知识中产生的 而不是从某种形式主义及其使用的参考模式中产生的 这正符合一句名言 知识就是力量 80年代 专家系统在全世界得到迅速发展和广泛应用 本章主要讨论专家系统 介绍了专家系统的定义 结构 特点和类型 分析了基于规则的专家系统 基于框架的专家系统和基于模型的专家系统 并介绍了专家系统的设计方法和开发工具 概述 专家系统的定义 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 专家系统的定义 也就是说 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 专家系统的一般特点 启发性专家系统能运用专家的知识与经验进行推理 判断和决策 透明性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 例如 一个医疗诊断专家系统诊断某病人患有肺炎 而且必需用某种抗生素治疗 那么 这一专家系统将会向病人解释为什么他患有肺炎 而且必须用某种抗生素治疗 就像一位医疗专家对病人详细解释病情一样灵活性专家系统能不断地增长知识 修改原有知识 不断更新 由于这一特点 使得专家系统具有十分广泛的应用领域 专家系统的优点 1 专家系统能够高效率 准确 周到 迅速和不知疲倦地进行工作 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 可以使专家的专长不受时间和空间的限制 以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验 4 专家系统能促进各领域的发展 它使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼 能够广泛有力地传播专家的知识 经验和能力 专家系统的优点 5 专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力 它拥有更渊博的知识 更丰富的经验和更强的工作能力 6 军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一 7 专家系统的研制和应用 具有巨大的经济效益和社会效益 8 研究专家系统能够促进整个科学技术的发展 专家系统对人工智能的各个领域的发展起了很大的促进作用 并将对科技 经济 国防 教育 社会和人民生活产生极其深远的影响 专家系统的类型 按照专家系统所求解问题的性质 大致可以分为 解释专家系统预测专家系统诊断专家系统设计专家系统规划专家系统监视专家系统控制专家系统调试专家系统教学专家系统修理专家系统 解释专家系统 任务通过对已知信息和数据的分析与解释 确定它们的涵义 特点 a 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 b 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 c 系统的推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 解释专家系统实例 例子有语音理解 图象分析 系统监视 化学结构分析和信号解释等 例如 卫星图象 云图等 分析 集成电路分析 DENDRAL化学结构分析 ELAS石油测井数据分析 染色体分类 PROSPECTOR地质勘探数据解释和丘陵找水等实用系统 预测专家系统预测 任务通过对过去和现在已知状况的分析 推断未来可能发生的情况 预测专家系统具有下列特点 a 系统处理的数据随时间变化 而且可能是不准确和不完全的 b 系统需要有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 预测专家系统的例子 预测专家系统的例子有气象预报 军事预测 人口预测 交通预测 经济预测和谷物产量预测等 例如 恶劣气候 包括暴雨 飓风 冰雹等 预报 战场前景预测和农作物病虫害预报等专家系统 诊断专家系统 任务根据观察到的情况 数据 来推断出某个对象机能失常 即故障 的原因 特点 a 能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系 b 能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象 c 能够向用户提出测量的数据 并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断 诊断专家系统例子 诊断专家系统的例子特别多 有医疗诊断 电子机械和软件故障诊断以及材料失效诊断等 用于抗生素治疗的MYCIN 肝功能检验的PUFF 青光眼治疗的CASNET 内科疾病诊断的INTERNIST I和血清蛋白诊断等医疗诊断专家系统 IBM公司的计算机故障诊断系统DART DASD 火电厂锅炉给水系统故障检测与诊断系统 雷达故障诊断系统和太空站热力控制系统的故障检测与诊断系统等 都是国内外颇有名气的实例 设计专家系统 任务根据设计要求 求出满足设计问题约束的目标配置 特点 a 善于从多方面的约束中得到符合要求的设计结果 b 系统需要检索较大的可能解空间 c 善于分析各种子问题 并处理好子问题间的相互作用 d 能够试验性地构造出可能设计 并易于对所得设计方案进行修改 e 能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的 新的 设计 设计专家系统 设计专家系统涉及电路 如数字电路和集成电路 设计 土木建筑工程设计 计算机结构设计 机械产品设计和生产工艺设计等 比较有影响的专家设计系统有VAX计算机结构设计专家系统R1 XCOM 浙江大学的花布立体感图案设计和花布印染专家系统 大规模集成电路设计专家系统以及齿轮加工工艺设计专家系统等 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 这就决定了它可采用穷尽检索解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 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路线 经常需要猜测才能继续推理等 这些特点决定了HEARSAY 必须采用比MYCIN更为复杂的系统结构 专家系统的结构图 21 理想专家系统的结构图 调度器 根据系统建造者所给出的控制知识 从议程中选择一项作为下一步的执行动作 执行器应用知识库中的及黑板中记录的信息 执行调度器所选定的动作 协调器的主要作用就是当得到新数据或新假设时 对已得到的结果进行修正 以保持结果前后的一致性 接口 人与系统进行信息交流的媒介 黑板 记录系统推理过程中用的控制信息 中间假设 中间结果的数据库 包括计划 议程和中间解三部分 知识库 一部分记录已知与当前问题有关的数据信息 一部分记录进行推理用到的一般知识和领域知识 解释器 向用户解释系统的行为 包括结论的正确性以及原因 一般应用程序与专家系统的区别 专家系统 一个智能计算机程序系统 专家系统的主要组成部分 知识库 综合数据库 推理机 解释器 接口 1 知识库 knowledgebase 知识库用于存储某领域专家系统的专门知识 包括事实 可行操作与规则等 为了建立知识库 要解决知识获取和知识表示问题 知识获取涉及知识工程师如何从专家那里获得专门知识的问题 知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识的问题 专家系统的主要组成部分 2 综合数据库 globaldatabase 综合数据库又称全局数据库或总数据库 它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据 信息 即被处理对象的一些当前事实 3 推理机 reasoningmachine 推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序 使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作 推理机能够根据知识进行推理和导出结论 而不是简单地搜索现成的答案 专家系统的主要组成部分 4 解释器 explanator 解释器能够向用户解释专家系统的行为 包括解释推理结论的正确性以及系统输出其它候选解的原因 5 接口 interface 接口又称界面 它能够使系统与用户进行对话 使用户能够输入必要的数据 提出问题和了解推理过程及推理结果等 系统则通过接口 要求用户回答提问 并回答用户提出的问题 进行必要的解释 基于规则的专家系统 根据专家系统的工作机理与结构 将其分为 基于规则的专家系统基于框架的专家系统 基于模型的专家系统 基于规则的专家系统 基于规则的专家系统是一个计算机程序 该程序使用一套包含知识库内的规则对工作存贮器内的具体信息 事实 进行处理 通过推理机推断出新的信息 基于规则的专家系统的结构 基于规则的专家系统的结构 知识库 以一套规则建立人的长期存储器模型 工作存储器 建立人的短期存储器模型 存放问题事实和由规则激发而推断出的新事实 推理机 借助于把存放在工作存储器内的问题事实和存放在知识库内的规则结合起来 建立人的推理模型 以推断出新的信息 基于规则的专家系统的结构 其中知识库 工作存贮器 推理机是基于规则的专家系统的核心 其他部分 用户界面 用户通过该界面来观察系统并与之对话 开发界面 知识工程师通过通过该界面对系统进行开发 解释器 对系统推理提供解释 外部程序 如数据库 扩展盘和算法等 对专家系统的工作起支持作用 基于框架的专家系统 回忆框架是一种结构化的表示方法 由若干个描述相关事物各方面及其概念的槽构成 每个槽有若干个侧面 每个侧面拥有若干个值 基于框架的专家系统的定义 基于框架的专家系统是一个计算机程序 该程序使一组包含在知识库内的框架对工作存贮器内的具体问题信息进行处理 通过推理机推出新的信息 框架提供一种比规则更丰富的获取知识的方法 不仅提供某些目标的包描述 而且规定该目标如何工作 基于框架的专家系统 面向目标编程与基于框架设计基于框架的专家系统建立在框架的基础之上基于框架的专家系统采用面向目标编程技基于框架的设计和面向目标的编程共享许多特征在设计基于框架系统时 专家系统的设计者们把目标叫做框架 基于框架的专家系统结构 类 槽 子类 例子 顶层框架 提供目标的任务表 模式匹配规则 基于框架的专家系统设计方法 把整个问题看作是被简练地表示的规则 每条规则获得问题的启发信息 规则概括了专家对问题的理解 基于模型的专家系统 人工智能是对各种定性模型 物理的 感知的 社会的系统模型 的获得 表达和使用的计算方法进行研究的学问 前面两类专家系统都是以逻辑心理模型为基础的 采用规则逻辑或框架 并以逻辑作为描述启发式知识的工具而建立的计算机系统 增加了系统的功能 提高了性能指标 可独立地深入研究各种相关模型 把获得的结果用于改进系统 基于神经网络的专家系统 神经网络模型从知识表示 推理机制到控制方式 与目前专家系统中的基于逻辑的心理模型有本质的区别三种神经网络模型与专家系统集成模式神经网络支持专家系统专家系统支持神经网络协同式的神经网络专家系统 知识通过学习算法自动获取的 推理机制从检索和验证变成网络模式对输入的竞争 基于神经网络的专家系统的结构 神经网络专家系统的几个问题 神经网络的知识表示是一种隐式表示神经网络通过实例学习实现知识自动获取神经网络的推理是个正向非线性数值计算过程 同时也是一种并行推理机制同一知识领域的几个独立的专家系统可组合成更大的神经网络专家系统 新型专家系统 新型专家系统的特征并行与分布处理多专家系统协同工作高级语言和知识语言描述具有自学习功能引入新的推理机制具有自纠错和自完善能力先进的智能人机接口 分布式专家系统 主要目的把一个专家系统的功能经分解以后分布到多个处理器上去并行地工作 从而在总体上提高系统的处理效率 应用环境可以工作在紧耦合的多处理器系统环境中 也可工作在松耦合的计算机网络环境里 所以其总体结构在很大程度上依赖于其所在的硬件环境 分布式专家系统 协同式专家系统 当前存在的大多数专家系统 在规定的专业领域内是一个 专家 但一旦越出特定领域 系统就无法工作 协同式专家系统亦可称为 群专家系统 表示能够综合若干个领域或一个领域的多个方面的子专家系统相互协作共同解决一个更为广泛的领域问题的专家系统 协同式专家系统 协同式专家系统与分布式专家系统有共性 因为都涉及多个子专家系统 但协同式专家系统更强调子系统间的合作 而不着重于处理的分布和知识的分布 一般都在同一个处理机上实现子专家系统 协同式专家系统 设计与建立一个协同式多专家系统 需要解决的问题任务的分解公共知识的导出讨论方式驱动方式 选讲 专家系统的设计 专家知识的描述 按照EXPERT表达知识的方式 在系统设计过程中主要利用以下3个表达成 假设或结论 观测或观察 推理或决策规则 专家知识的描述 1 结论的表示首先来研究假设或由系统推理可能得到的结论 这些结论规定了所涉及的专门知识的范围 例如 在医疗系统中 这些结论可能是诊断或对治疗方法的建议 这许多其它情况下 这些结论可以表示各种建议或解释 中间假设与中间结论 以小为原则附加假设 表示建议的种类 告诉使用者应采取什么操作 结论的表示取决于所作的观察或量测 一个假设可能附有不同程度的不确定性 专家知识的描述 2 观测的表示观测是得到结论所需要的观察或量测结果 通常可以用逻辑值 真 T 假 F 或 不知道 或用数字来表示 在交互式系统中 一般包括向使用者询问信息的系统 但有时也可以不需要使用者的直接干预而记录观测 假如可以从仪表直接读数或从另外的程序送来结果 如果以向使用者询问的方法记录观测 可以用有关的主题来组织观测 以便使询问进行得更为有效 把问题组织成菜单那样的编组是一种很有效的方法 这种方法把问题按主题组织成选择题 对照表或用数字回答的问题 专家知识的描述 3 推理规则的表示总的来说产生式规则是决策规则最为常用的表示形式 这些IF THEN形式的规则用来编译专家凭经验的理过程 按照我们的表示方法 产生式规则可根据观测和假设之间的逻辑关系分成3类 1 FF 观测到观测的规则 2 FH 观测到假设的规则 3 HH 假设到假设的规则 知识的使用 作为一个实验性的系统 在专家系统的设计中有两个关于控制的问题 这是两个相互关连的目标 1 得到准确的结论 2 询问恰当的问题以帮助分析和作出决策 到目前为止 建立专家系统还远不是一门精确的科学 专家经常提供大量的信息 我们必须力图抽取专家推理过程中的关键内容 并且尽可能准确而简洁地表示这些知识 因为在现有的实现产生式规则的方法之间有许多差别 所以善于选择那些适合于当前应用场合的结构和策略很重要 知识的使用 1 结论的分级与选择按评价的先后次序 把规则分成等级和选择规则是推理过程中控制策略的基本部分 我们可以根据专家的意见来排列与评价规则的次序 但与此同时 还必须研究规则的评价次序的影响 规则评价次序的编排应该使不论采取什么次序 都得到相同的结论 知识的使用 2 询问问题的策略要给出一个询问问题的最佳策略是很困难的 确切地说 询问的质量在很大程度上取决于在事先是否把问题清楚地组织好 一个好的询问策略 关键之一是使问题包含尽可能多的结构 应该根据共同的主题 把问题分成组 知识的使用 两种提问策略固定顺序非固定顺序 根据具体情况做选择 一般询问代价最小的问题 优先询问对当前可信度最高的假设有影响的问题只考虑那些和当前记录的观测有关的假设 决策解释 系统的设计者和使用者都需要系统对它所作出的决策给予解释 但是它们对决策解释的要求又各不相同 以下我们对此分别介绍 1 对系统设计者的解释2 对系统使用者的解释 专家系统开发工具 由于专家系统具有十分广泛的应用领域 而每个系统一般只具有某个领域专家的知识 如果在建造每个具体的专家系统时 一切都从头开始 就必然会降低工作效率 人们已经研制出一些比较通用的工具 作为设计和开发专家系统的辅助手段和环境 以求提高专家系统的开发效率 质量和自动化水平 这种开发工具或环境 就称为专家系统开发工具 专家系统开发工具是70年代中期开始发展的 它比一般的计算机高级语言 FORTRAN PASCAL C LISP和PROLOG等具有更强的功能 也就是说 专家系统工具是一种更高级的计算机程序设计语言 专家系统开发工具 现有的专家系统工具 主要分为4类 骨架型工具语言型工具构造辅助工具支撑环境 专家系统开发工具之一 骨架型工具 专家系统一般都有推理机和知识库两部分 而规则集存于知识库内 在一个理想的专家系统中 推理机完全独立于求解问题领域 系统功能上的完善或改变 只依赖于规则集的完善和改变 由此 借用以前开发好的专家系统 将描述领域知识的规则从原系统中 挖掉 只保留其独立于问题领域知识的推理机部分 这样形成的工具称为骨架型工具 如EMYCIN KAS以及EXPERT等 骨架型工具 这类工具因其控制策略是预先给定的 使用起来很方便 用户只须将具体领域的知识明确地表示成为一些规则就可以了 这样 可以把主要精力放在具体概念和规则的整理上 而不是像使用传统的程序设计语言建立专家系统那样 将大部分时间花费在开发系统的过程结构上 从而大大提高了专家系统的开发效率 这类工具往往交互性很好 用户可以方便地与之对话 并能提供很强的对结果进行解释的功能 骨架型工具存在一些问题 因其程序的主要骨架是固定的 除了规则以外 用户不可改变任何东西 因而骨架型工具存在一些问题 原有骨架可能不适合于所求解的问题 推理机中的控制结构可能不符合专家新的求解问题的方法 原有的规则语言 可能不能完全表示所求解领域的知识 解问题的专门领域知识可能不可识别地隐藏在原有系统中 基于这些原因 使得骨架型工具的应用范围很窄 只能用来解决与原系统相类似的问题 专家系统开发工具之二 语言型开发工具 语言型开发工具语言型工具与骨架型工具不同 它们并不与具体的体系和范例有紧密的联系 也不偏于具体问题的求解策略和表示方法 所提供给用户的是建立专家系统所需要的基本机制 其控制策略也不固定于一种或几种形式 用户可以通过一定手段来影响其控制策略 因此 语言型工具的结构变化范围广泛 表示灵活 所适应的范围要比骨架型工具广泛得多 像OPS5 OPS83 RLL及ROSIE等 均属于这一类工具 专家系统开发工具之三 构造辅助工具 构造辅助工具由一些程序模块组成 有些可帮助获取和表达领域专家的知识 有的可帮助设计正在构造的专家系统的结构 分为 设计辅助工具和知识获取辅助工具 AGE系统是一个设计辅助工具的例子 专家系统开发工具之三构造辅助工具 AGE是由美国斯坦福大学用INTERLISP语言实现的专家系统工具 这一系统能帮助知识工程师设计和构造专家系统 AGE给用户提供了一整套像积木块那样的组件 利用它能够 装配 成专家系统 它包括以下4个子系统 a