专家系统综述

专家系统概述摘要信息综述了专家系统的基本概念、主要结构、开发方法及其在机械制造领域的应用。关建奇：专家系统摘要1、什么是专家系统人工智能被认为是本世纪三大科学技术成果之一，受到世界各国的广泛关注。20世纪60年代中期，人工智能的一个应用领域专家系统(Expert System (ES)出现，人工智能的研究从实验室转移到了现实世界。所谓专家系统实际上是可以在特定领域(或小组)进行的计算机程序。能够以人类专家的水平解决这一领域的难题的计算机程序。或者专家系统就是这样的系统：A.专家系统处理专家分析和判断现实世界中提出的要求的复杂问题。B.专家系统利用专家推理方法的计算机模型，可以解决相互问题，得到与专家相同的结论。专家系统的功能主要依靠庞大的知识，因此这些知识都存在于知识库中，通过推理引擎用一定的推理策略解决问题，因此也称为大知识库系统。专家系统是以解决特定问题的专家知识来研究构建人机系统的方法和技术。知识在专家系统中起着决定性的作用，因此通常构建专家系统的工作过程称为知识工程。2、专家系统的基本结构和分类2.1专家系统的坟墓结构整个专家系统结构由图1所示的6个部分组成。其中，数据库、知识库、推理引擎和人机界面是不可缺少的部分。说明部分，知识获取部分是预期部分。以下是对这些部分的说明。A.知识库知识库是域知识的存储。存储专家系统关键部分的专业知识、专业知识和常识知识。知识库可以由事实知识和推理知识组成。知识是决定专家系统性能的主要因素。一个知识库必须具有良好的可用性、确定性和成熟性。要建立知识库，首先从领域专家那里获取知识称为获取知识。然后把获得的知识组织到计算机上作为数据结构井，成为系统推理判断的知识库。B.数据库数据库用于存储区域内的初始数据和推理过程中获取的各种信息。数据库中存储的内容是系统当前正在处理的对象的一些事实。C.推理机推理机用于控制和调整整个系统。根据当前输入的数据数据库中的信息利用知识库的知识，通过一定的推理策略解决当前的问题，并将结果发送到用户界面。在专家系统中，推理是正向推理、反向推理和混合推理。在上述三种推理方法中，还有精密和不准确的推理之分。专家系统是模仿人类专家的工作，所以推理过程应该与专家的推理过程尽可能地一致。D.人体-机械界面人机界面是专家系统和用户之间的通信部分。可以接受用户的信息，翻译为系统允许的内部形式，并向用户提供知识库中推理器提供的有用知识。E.分析部分解释部分可以提供推理所需的解释。这使用户能够理解推理过程，在系统中学习和维护系统。F.知识获取部分知识获取部分提供了修改和扩展知识库知识的手段。这意味着机器自动实现的知识获取。对专家系统的持续改进和完善具有重要作用。通常，您需要能够从知识库中删除不需要的知识，并将需要的新知识添加到知识库中。根据实践结果，最好具备在知识库中发现不适当的知识和总结新知识的能力。知识获取部分实际上是学习功能。专家系统的一个重要特征是与知识库和推理机分开，使用系统可以在执行过程中不断修改知识，增加新知识，从而持续提高系统性能。总之，单个专家系统不仅提供专家级的建议和意见，而且在用户需要时解释系统本身的行为，同时还具有知识获取功能。专家系统的工作特征是使用知识的推送量，因此知识获取(包括人工方式的知识获取和机器学习)、知识表示和知识使用是专家系统构建的三个关键部分。专家系统还强调符号处理，希望专家或用户能够以接近自然语言的语言或口语形式与系统交换信息的理想人机界面。这些都是传统程序中没有的特征。下表所示。表1专家系统与传统程序的比较特性专家系统传统程序处理类型符号数字主运算符比较、选择、分类、匹配和逻辑集、上下文关系和分区模式、搜索和识别算术和逻辑流程流不确定确定(流程流和可预测终止)执行动态(由于创建数据结构，资源分配困难)静态信息管理知识的表达和方法很复杂算法通常使用合理的数据明确定义系统增强功能允许持续改进几乎没有在线改进机制3、专家系统开发工具专家系统开发工具很多，但是专家系统实现的方式可以分为四大类：用于开发现成的人工智能系统的通用编程语言、专用知识表示和处理语言、专家系统外壳和专家系统开发工具箱(环境)。3.1通用人工智能语言目前最受欢迎的人工智能语言是LISP、prolog和Smalltalk。这些都是适合实施专家系统的编程语言，每个都使用其特性。LISP是一种基于函数的编程语言，具有强大的符号和数据处理功能，具有自学能力和智能，可以在程序运行时不断改进和补充程序。prolog是用逻辑编程的计算机语言，具有很强的逻辑推理能力，适合表达人类的思维和推理规则。这就是为什么prolog语言在人工智能领域像LISP一样被广泛使用的原因。Smlltalk语言是最具代表性的面向对象的编程语言，知识描述方法的最大特点是模块性强，类之间的接口明确，便于分工开发和调试。面向对象的方法有很多优点，因此近年来在软件行业受到了越来越多的关注。3.2专业知识表示和处理语言知识的处理也包括对数据的处理，但主要是符号处理和逻辑处理，使用典型的人工智能编程语言来表达知识和处理知识，需要编程工作量大、高的编程技术。人工智能学者为了解决这些困难，减少工作量，开发了具有代表性的FRL、OPSS、KEE等更加专业化的知识表达和处理语言。提供知识表示的固定模式，易于应用。3.3专家系统盘柜为了减轻专家系统建设中编程工作的负担，预先形成了知识表示、推理或执行方法、解释机构和学习机构等的基本固定模式，类似于称为专家系统事例的“空架子”。专家系统护套的出现大大降低了专家系统的开发经费，大大加快了开发速度。专家系统案例可根据用途分为基于规则的案例系统、归纳案例系统和基于混合知识表示的案例系统三类。3.4专家系统开发工具箱为了克服前三种开发工具的缺点，软件专家重新设计了专家系统开发工具箱。该工具箱为开发人员提供了一套灵活、集成的组织的完整工具，而不是简单的专家系统箱或简单的开发语言。在专家系统的整个开发过程中，有更方便的工具可供用户选择。4、如何构建专家系统专家系统的构建通常包括以下步骤：(1)获取知识知识获取是将用于解决问题的专业知识从特定的知识来源转换到计算机程序。知识获取是由计算机方工程师知识工程师完成的。(2)知识表达的选择与专家多次交流意见，阅读相关资料后，知识工程师逐渐熟悉这个专业领域的专业知识后，就可以选择合适的知识表达方法。选择的知识表示方法必须具有以下两个特性：A.表达专家知识的能力B.可以简单、方便地说明、修改和解释系统的知识。另外，要在用计算机表达知识的便利性和结构的复杂性之间保持平衡。(3)建立专家系统A.基于知识的初步设计。这包括三个主要步骤：问题定义：指定目标、约束条件、知识来源、参与者及其角色。概念化：用问题详细说明如何分解为子问题。从假设、数据、中间推理、概念等角度说明每个子之间问题的构成。这种概念化对可能实现的实施过程的影响。问题的计算机表示：选择概念化阶段确定的子问题的各种组件的表示方法。这是要求计算机运行的第一步。在这个阶段，信息流的研究、概念和数据的连接将更加完善。B.原型开发和实验选择知识表示方法后，可以启动整个系统所需知识的原型子集。此子集的选择很重要。这必须包括代表性知识样本。这些知识示例应该对整个模型赋予一般意义，仅在测试中包含足够的简单子任务和推理过程。一旦原型产生了可接受的推论，这个原型就必须扩展到包含它需要解释的各种更详细的问题。然后使用更复杂的情况进行测试。这种更复杂的情况在以后改进知识库时用作标准测试集。这些实验的结果一定会对问题之间的基本构成及其之间的关系进行很多调整。C.改进和推广知识库要达到专家水平的高水平，这一阶段需要相当长的时间。但是，经过几个月的努力，也有可以取得多少令人满意的性能的方面。5、专家系统在机械制造中的应用机械制造中的工艺设计是结构设计和制造之间的纽带。工艺设计的复杂性高，需要长时间的手动操作。Xi an transportation university的XJDCAP是工艺设计专家系统，它使用用于记录零件说明和工艺设计结果的框架，允许使用代表汽车、铣削、钻孔、磨削、热处理工艺设计决策知识的生产规则输出逆向设计、模糊推理、合理完整的工艺文档和CNC机床程序下面简要介绍该系统的情况。5.1.XJDCAP系统配置图2显示了系统的配置。系统以GCLISP语言编写，以旋转体零件作为主要对象，工艺设计系统的输入是零件模型，输出是工艺文件。系统的输入和输出由框架处理模块完成，设计由流程决策模块和规则集完成，数据库作为系统的支持工具完成。系统由一组零件模型和规则构成知识库。图3 XJDCCAP系统配置图5.2部件的说明回转本体零件的本体元件可以分为基准本体和相应特征两部分。系统的基本形状包括外部圆柱、外部圆锥、成型面、内部圆柱孔和内部圆锥孔。特征特征包括内部和外部倒角、内螺纹、内部和外部圆角、内部和外部切口、终止槽、滚动、键槽、外部平面、轴或径向辅助孔。有关零件的信息可能显示为具有树干、树枝和树枝的树.树形式的数据与框架组织相同，因此选择框架以形成零件设计模型，并以嵌套的联合表格形式存储在计算机中。使用以框架表示零件的模型，可以使零件完整、准确、易于创建、修改和检索，并可在生成系统中轻松使用。系统透视框架与标准框架结构的区别在于联接表中的嵌套层次可能会发生变化。5.3工艺设计过程(1)基于规则工艺设计知识以“规则编号”(rule number if condition then action cfv)形式的创建规则表示。其中number是规则编号，conditions是条件，多层AND、OR、NOT嵌套、action是结论，可以是多个，cfv是可靠性，值介于-1和1之间。规则没有cfv值时，用于选择其他规则或确定其他参数的纯规则。系统中有300多个规则，每个类存储和调用这些规则以提高搜索效率，规则分类如下：1、毛坯选择规则。2、最终处理方法选择规则3、确定工序说明和排序规则4、机床选择规则5、夹紧方法选择规则6、加工毛利确定规则7、使用切割选择规则(2)推理和搜索系统使用反向推理方法。也就是说，从零件的最终形状和技术参数开始，逐步排列可能达到当前零件状态的加工过程，然后继续修改零件模型，直到零件不再需要加工以形成毛坯为止。这种逆向推理方式接近于人类的设计思维过程。而且，以零件的设计要求为唯一目标，避免实名，保证质量容易。最终加工方法决定了对于每个基本体，根据工件材料及其技术要求等，可以应用多种加工方法。系统采用逆向推理得到最佳解。根据目的创建不同的规则，从其基本形式提出可能的处理方法，将该处理方法用作假设的结论(目的)，然后调用可形成该结论的规则来判断规则的条件是否存在。如果可以从部件模型和编译的进程内容中获得条件的事实，则直接判断其是否存在。否则，继续以次目的(结论)寻找事实。决定基本形体最终成型方法的推理过程是AND，OR树，搜索方法是深度优先。最可靠的那个结论是最终结论。6、专家系统展望知识工程的未来发展将对人类的生活和社会产生重大影响。事实上，专家系统并不能完全取代人和专家的地位，而是帮助人和专家将工作进展到其他更明智的水平。由于专家系统的设计和构建，相当大的人