pr-lzh8-人工智能课件3-专家系统.ppt

专家系统 专家系统 专家系统的概念专家系统的结构专家系统的发展概况专家系统设计与实现新一代专家系统研究 2020 3 25 3 专家系统 ExpertSystem 亦称专家咨询系统 它是一种智能计算机 软件 系统 顾名思义 专家系统就是能像人类专家一样解决困难 复杂的实际问题的计算机 软件 系统 专家 是某一专门领域的行家里手 专家之所以是专家 是因为他 她 解决问题时具有超凡的能力和水平 专家之所以具有超凡的能力和水平 是因为 2020 3 25 4 1 专家拥有丰富的专业知识和实践经验 或者说他 她 拥有丰富的理论知识和经验知识 特别是经验知识 2 专家具有独特的思维方式 即独特的分析问题和解决问题的方法和策略 专家系统应该具备以下四个要素 1 应用于某专门领域 2 拥有专家级知识 3 能模拟专家的思维 4 能达到专家级水平 2020 3 25 5 所以 准确一点讲 专家系统就应该是 应用于某一专门领域 拥有该领域相当数量的专家级知识 能模拟专家的思维 能达到专家级水平 能像专家一样解决困难和复杂的实际问题的计算机 软件 系统 2020 3 25 6 专家系统的类型关于专家系统的分类 目前还无定论 我们仅从几个不同的侧面对此进行讨论 1 按用途分类按用途分类 专家系统可分为 诊断型 解释型 预测型 决策型 设计型 规划型 控制型 调度型等几种类型 2 按输出结果分类按输出结果分类 专家系统可分为分析型和设计型 2020 3 25 7 3 按知识表示分类目前所用的知识表示形式有 产生式规则 一阶谓词逻辑 框架 语义网等 4 按知识分类知识可分为确定性知识和不确定性知识 所以 按知识分类 专家系统又可分为精确推理型和不精确推理型 如 模糊专家系统 5 按技术分类按采用的技术分类 专家系统可分为符号推理专家系统和神经网络专家系统 2020 3 25 8 6 按规模分类按规模分类 可分为大型协同式专家系统和微专家系统 7 按结构分类按结构分类可分为集中式和分布式 单机型和网络型 即网上专家系统 2020 3 25 9 专家系统的结构 专家系统是一种计算机应用系统 由于应用领域和实际问题的多样性 所以 专家系统的结构也就多种多样 但抽象地看 它们还是具有许多共同之处 2020 3 25 10 概念结构从概念来讲 一个专家系统应具有如图所示的一般结构模式 其中知识库和推理机是两个最基本的模块 1 知识库 KnowledgeBase 所谓知识库 就是以某种表示形式存储于计算机中的知识的集合 知识库通常是以一个个文件的形式存放于外部介质上 专家系统运行时将被调入内存 知识库中的知识一般包括专家知识 领域知识和元知识 元知识是关于调度和管理知识的知识 2020 3 25 11 专家系统的概念结构 2020 3 25 12 体系结构 知识库 结果解释器 知识推理器 知识获取器 人机接口 用户知识工程师领域专家 2020 3 25 13 2 推理机 InferenseEngine 所谓推理机 就是实现 机器 推理的程序 是使用知识库中的知识进行推理而解决问题的 所以 推理机也就是专家的思维机制 即专家分析问题 解决问题的方法的一种算法表示和机器实现 这里的推理 是一个广义的概念 它既包括通常的逻辑推理 也包括基于产生式的操作 例如 A BAB 2020 3 25 14 3 动态数据库动态数据库也称全局数据库 综合数据库 工作存储器 黑板等 它是存放初始证据事实 推理结果和控制信息的场所 或者说它是上述各种数据构成的集合 4 人机界面这里的人机界面指的是最终用户与专家系统的交互界面 5 解释模块解释程序模块专门负责向用户解释专家系统的行为和结果 2020 3 25 15 6 知识库管理系统知识库管理系统是知识库的支撑软件 知识库管理系统对知识库的作用 类似于数据库管理系统对数据库的作用 其功能包括知识库的建立 删除 重组 知识的获取 主要指录入和编辑 维护 查询 更新 以及对知识的检查 包括一致性 冗余性和完整性检查等等 2020 3 25 16 专家系统的理想结构 2020 3 25 17 1 产生世界第一个专家系统叫DENDRAL 它是由美国斯坦福大学的费根鲍姆教授于1965年开发的 DENDRAL的成功使人工智能研究向实用阶段过渡 标志专家系统的诞生 使人工智能的研究从推理为中心转向以知识为中心 2 发展与DENDRAL系统同时开发的 还有数学专家系统MACSYMA 它是一个大型的人机交互式系统 在医疗领域最具代表性的专家系统有MYCIN 是Shortiliffe等人1972年研制的用于诊断和治疗感染性疾病的医疗专家系统 它可以采用自然语言同用户对话 并回答用户的问题 还可以在专家指导下学习新的医疗知识 使用知识库和似然推理技术 对专家系统的理论和实践有较大贡献 成为以后许多专家系统的基础 专家系统的发展概况 2020 3 25 18 PROSPECTER是STANFORD大学研制的基于语义网络的探矿专家系统 是第二代专家系统 3 趋势进入20世纪90年代 模糊技术 神经网络和面向对象 网络等新技术迅速崛起 为专家系统注入了新的活力 同时与传统计算机应用系统相融合 2020 3 25 19 关于知识表达 知识表达是人工智能的基本问题之一 历史上已经提出了多种知识表达的方法 基于规则的表达方法语义网络表达方法状态空间表达方法其他 2020 3 25 20 基于规则的表达方法 规则是什么 IF 条件 THEN 结论 例子 IF 动物有毛发 THEN 动物是哺乳动物 IF 动物有奶 THEN 动物是哺乳动物 IF 动物有羽毛 THEN 动物是鸟 IF 动物会飞 并且 动物会产蛋 THEN 动物是鸟 2020 3 25 21 语义网络 由实体 联系组成的网络来表达 实体包括类 class 和实例 instance 类 鸟 人实例 燕子 张三联系 各种语义联系IsA ZhangSanIsAPersonKindOf SubsetOf StudentIsSubsetOfPersonpartof 实体 属性联系 德智体是评价学生的三个方面 2020 3 25 22 一个例子 PERSON SubsetOf SubsetOf SubsetOf IsA Advisor 2020 3 25 23 状态空间表示法 状态空间就是问题全部可能的状态考虑8数码问题的状态空间 2020 3 25 24 用8个数字的位置来表示状态 9 用空格的移动表示操作 LeftRightUpDown 2020 3 25 25 Left Right Up Down Up Down 2020 3 25 26 基于规则的专家系统 系统的主要部分是知识库和推理引擎 2020 3 25 27 基于规则的专家系统举例 EMYCIN中 它提供了专门的规则语言来表示领域知识 基本的规则形式是 IF 前提 THEN 行为 ELSE 行为 当前提为真时 该规则将前提与一个行为结合起来 否则与另一个行为结合起来 并且可以用一个 1到 1之间的数字来表示在该前提下行为的可信程度 如一条判断细菌类别的规则可表示如下 PREMISE AND SAMECNTXTSITEBLOOD NOTDEFINITECNTXTIDENT SAMECNTXTSTAINGRAMNEG SAMECNTXTMORPHROD SAMECNTXTBURNT ACTION CONCLUDECNTXTIDENTPSEUDOMONASTALLY0 4 2020 3 25 28 其含意如下 如果培养物的部位是血液细菌的类别确不知道细菌的染色是革蓝氏阴性细菌的外形是杆状病人被严重地烧伤那么以不太充分的证据 可信程度0 4 说明细菌的类别是假单菌 在EMYCIN中 还提供了良好的用户接口 当用户对系统的某个提问感到不解时 可以通过WHY命令向系统询问为什么会提出这样的问题 并且对于系统所作出的结论 可以通过HOW命令向系统询问它是如何得出这个结论的 这一点对于诊断系统是极为重要的 用户可以避免盲目地按照系统所提供的策略去执行 2020 3 25 29 基于模型的专家系统 基于模型的专家系统采用基于模型的推理方法 基于模型的推理方法是根据反映事物内部规律的客观世界的模型进行推理 有的人工智能研究者提出 运用启发式规则的推理为浅层推理 基于模型的推理为深层推理 浅层推理运用专家的经验 推理效率高 但解决问题的能力较低 深层推理由于接触了事物的本质内容 因此解决问题的能力强 但推理效率较低 因此 又发展了把浅层推理和深层推理结合起来的系统 并称为第二代专家系统 2020 3 25 30 如图所示 电路由一个开关 一个有两个接点的继电器和二个灯泡组成 如果接地良好 电源接通 且开关闭合 则灯泡就会亮 下图所示是这个电路的一个因果模型 如果电路发生故障 则有两种可能 一是操作错误 错误地设置了外部的开关或其它的控制 一是部件故障 某些部件已不能正常工作 专家系统应能识别这些错误并提出解决方法 在上面的例子中 如果电源接通 接地良好 开关和接点都是闭合的 但有一个灯泡不亮 则从图中看出有三种故障的可能 灯泡损坏 相应的接点故障未接通电源 或该接点没有接到电 利用因果模型完成诊断任务的基本过程可归纳如下 把技术装置用表明各部件的特性之间的因果关系的网络表示 给定装置的状态和一个故障特性 即观察值与期望值不同的特性 寻找对这种故障的解释 即提出发生故障的部件或错误的外部控制 2020 3 25 31 图所示为汽车启动部分的因果网络 在这里 汽车启动有三种条件 启动器必须使马达旋转 两个火花塞必须打火 且启动器的传输必须正常 启动器的旋转要求接电 从而要求电池已充电且接点闭合 火花塞的打火要求电缆正常 且点火圈供电等等 2020 3 25 32 建立专家系统的一般步骤 专家系统设计与实现 2020 3 25 33 知识获取知识获取是建造专家系统的关键一步 也是较为困难的一步 被称为建造专家系统的 瓶颈 知识获取大体有三种途径 1 人工获取人工获取 即计算机人员 或知识工程师 与领域专家合作 对有关领域知识和专家知识 进行挖掘 搜集 分析 综合 整理 归纳 然后以某种表示形式存入知识库 2020 3 25 34 2 半自动获取半自动获取 即利用某种专门的知识获取系统 采取提示 指导或问答的方式 帮助专家提取 归纳有关知识 并自动记入知识库 3 自动获取自动获取又可分为两种形式 一种是系统本身具有一种机制 使得系统在运行过程中能不断地总结经验 并修改和扩充自己的知识库 另一种是开发专门的机器学习系统 让机器自动从实际问题中获取知识 并填充知识库 目前面向对象 机器学习 知识发现 数据挖掘技术为知识获取提供了强有力的支持 2020 3 25 35 知识表示与知识描述语言设计知识表示与知识描述语言设计是根据所获得知识的特点 选择或设计某种知识表示形式 并为这种表示形式设计相应的知识描述语言 所谓知识描述语言 就是知识的具体语法结构形式 要求知识描述语言既能为用户提供一种方便 易懂的外部知识表达形式 又能将这种外部表示转换成容易存储 管理 运用的内部形式 2020 3 25 36 知识库与知识库管理系统设计知识库是专家系统的核心 知识库的质量直接关系到整个系统的性能和效率 知识的管理包括知识库的建立 删除 重组及维护和知识的录入 查询 更新 优化等 还有知识的完整性 一致性 冗余性检查和安全保护等方面的工作 知识管理由知识库管理系统负责 2020 3 25 37 1 知识库设计知识库设计主要是设计知识库的结构 即知识的组织形式 专家系统 或知识工程 中所涉及的知识库 一般取层次结构或网状结构模式 这种结构模式是把知识按某种原则进行分类 然后分块分层组织存放 如按元知识 专家知识 领域知识等分层组织 而每一块和每一层还可以再分块分层 这样 整个知识库就呈树型或网状结构 例如 下图所示的就是一个医疗诊断知识库的层次结构 2020 3 25 38 医疗诊断知识库层次结构 2020 3 25 39 2 知识库管理系统设计知识库管理系统应包括知识一级和知识库一级的各种管理功能 1 知识操作功能设计知识操作功能包括知识的添加 删除 修改 查询和统计等 这些功能可采用两种方法来实现 2020 3 25 40 2 知识检查功能设计知识检查包括知识的一致性 完整性 冗余性等检查 所谓知识的一致性 就是知识库中的知识必须是相容的 即无矛盾 例如 下面的两条规则r1 ifPthenQr2 ifPthen Q 就是矛盾的 那么 像这样的规则就不能同时存在于一个知识库中 2020 3 25 41 所谓完整性 是指知识中的约束条件 称为完整性约束 例如弟弟今年x岁 哥哥今年y岁 则必须满足x y 否则就破坏了知识的完整性 2020 3 25 42 所谓冗余性 就是重复 多余等 冗余性检查就是检查知识库中的知识是否存在冗余 也就是要求不能存在冗余 冗余的表现有重复 包含 环路等现象 例如 下面的三条规则 r1 ifPthenQr2 ifQthenRr3 ifPthenR 若它们同时存在于一个知识库中 则出现了冗余 2020 3 25 43 3 知识库操作设计知识库操作包括知识库 文件 的建立 删除 分解 合并等 2020 3 25 44 推理机与解释功能设计1 从哪里着手推理机是与知识库对应的专家系统的另一重要部件 推理机的推理是基于知识库中的知识进行的 所以 推理机就必须与知识库及其知识相适应 相配套 具体来讲 就是推理机必须与知识库的结构 层次以及其中知识的具体表示形式等相协调 相匹配 否则 推理机与知识库将无法接轨 因此 设计推理机时 首先得对知识库有所了解 2020 3 25 45 2 还应考虑些什么对推理机本身而言 还要考虑推理的方式 方法和控制策略等 例如 对于推理方式 是正向推理 还是反向推理或双向推理 是精确推理 还是不精确推理 又如 对于推理方法 是用归结法 还是用自然演绎法 对于不精确推理采用什么样的推理模型 还有 对于搜索控制 是采用深度优先还是广度优先 对于冲突消解是依据优先数 还是可信度或程度 即隶属度 等等 2020 3 25 46 3 算法设计与程序设计做了上述的分析以后 就可着手设计推理机的算法了 对于一个基于规则的系统来说 其推理机也就相当于产生式系统中的执行控制部件 所以其运行过程也就是产生系统的运行过程 因此 前面产生式系统所采用的算法 或者图搜索中所用的算法也就是这里的推理机所用的算法 算法确定后 就可进行程序设计 至于推理机用何种程序语言实现 这个并无什么限制 如可以用传统的LISP或PROLOG语言 也用当前流行的C或C 语言 2020 3 25 47 4 解释机制如何实现另外 在推理机的设计中还得考虑解释机制 因为专家系统一般要求要有解释功能 即在推理中要能回答用户 为什么 的问题 在推理结束后 要能回答 怎么样 得到结果 的问题 从系统的结构上讲 一般是把解释作为一个独立的模块 但实际上解释功能也是与推理机密切相关的 因为要解释就必须对推理进行实时跟踪 2020 3 25 48 系统结构设计系统构成技术被称为人工智能的三大技术之一 所以 对一个专家系统来说 其体系结构就显得非常重要 虽然从原理来讲 专家系统由知识库 推理机等部分组成 但由于受问题领域 系统规模 知识表示方法 知识库结构以及其他特殊性等诸多因素的影响 故专家系统的体系结构难以形成固定的模式 一般来讲 有诸如独立式 一个 纯 专家模块 混合式 还有其他处理模块 集中式 分布式 层次式以及 黑板模型 等 2020 3 25 49 人机界面设计人机界面对于一个实用专家系统 特别是咨询型知识系统 来说至关重要 一个专家系统一般有两个人机界面 一个是面向系统开发和维护者的 一个是面向最终使用者的 前一个界面由开发工具提供 后一个则是专家系统自身的一部分 由于图形用户界面 GUI 的广泛使用 所以目前专家系统的开发界面已达到相当高的水平 而专家系统的使用界面相对还比较落后 这是因为 使用界面往往要涉及 人机对话 如人对系统的询问 系统对人的回答 特别是系统对用户的解释 2020 3 25 50 新一代专家系统研究 深层知识专家系统深层知识专家系统 即不仅具有专家经验性表层知识 而且具有深层次的专业知识 这样 系统的智能就更强了 也更接近于专家水平了 例如一个故障诊断专家系统 如果不仅有专家的经验知识 而且也有设备本身的原理性知识 那么 对于故障判断的准确性将会进一步提高 要做到这一点 这里存在一个如何把专家知识与领域知识融合的问题 2020 3 25 51 模糊专家系统模糊专家系统主要特点是通过模糊推理解决问题的 这种系统善于解决那些含有模糊性数据 信息或知识的复杂问题 但也可以通过把精确数据或信息模糊化 然后通过模糊推理进行处理的复杂问题 这里所说的模糊推理包括基于模糊规则的串行演绎推理和基于模糊集并行计算 即模糊关系合成 的推理 对于后一种模糊推理 其模糊关系矩阵也就相当于通常的知识库 模糊矩阵的运算方法也就相当于通常的推理机 2020 3 25 52 模糊专家系统在控制领域非常有用 它现已发展成为智能控制的一个分支领域 模糊控制系统的一般结构如图所示 可以看出 这里的模糊控制器就相当于一个模糊专家系