专家系统在材料科学中的应用.PPT

1、人工智能人工智能 4.1 专家系统专家系统(1)(1)定义：让机器完成那些如果由人来做需要智能定义：让机器完成那些如果由人来做需要智能的事情的事情 (2)(2)领域：专家系统、人工神经网络、自然语言处领域：专家系统、人工神经网络、自然语言处理、图像识别等理、图像识别等专家系统的定义专家系统的定义(1)(1)定义：定义：是一个智能的计算机程序，它运用知识是一个智能的计算机程序，它运用知识和推理解决只有专家才能解决的复杂问题。和推理解决只有专家才能解决的复杂问题。 4.1 专家系统专家系统4.1 专家系统专家系统专家系统的作用专家系统的作用(1)(1)专家系统便于保存和大面积推广各种专家的宝专家系

2、统便于保存和大面积推广各种专家的宝贵知识，克服人类专家供不应求的矛盾。贵知识，克服人类专家供不应求的矛盾。 (2)(2)专家系统还可以综合许多专家的知识和经验，专家系统还可以综合许多专家的知识和经验，从而博采众长。从而博采众长。 专家系统的作用专家系统的作用4.1 专家系统专家系统(3)(3)专家系统继承了计算机快速、准确的特点，在专家系统继承了计算机快速、准确的特点，在某些方面比人类专家更可靠、更灵活，可以不受某些方面比人类专家更可靠、更灵活，可以不受时间、地域和人为因素的影响。时间、地域和人为因素的影响。 4.1 专家系统专家系统专家系统和传统程序的区别专家系统和传统程序的区别(1)(1)

3、从编程思想上看，传统程序是依据算法和数据从编程思想上看，传统程序是依据算法和数据来求解问题，而专家系统是依据知识和推理来求来求解问题，而专家系统是依据知识和推理来求解问题。解问题。 4.1 专家系统专家系统(2)(2)从处理对象来看，传统程序主要面向数值计算从处理对象来看，传统程序主要面向数值计算和数据处理，而专家系统则面向符号处理。和数据处理，而专家系统则面向符号处理。专家系统和传统程序的区别专家系统和传统程序的区别(3)(3)传统程序一般不具有解释功能，而专家系统具传统程序一般不具有解释功能，而专家系统具有解释功能。有解释功能。 专家系统和传统程序的区别专家系统和传统程序的区别4.1 专家

4、系统专家系统(4)(4)传统程序因为是根据算法来求解问题，所以每传统程序因为是根据算法来求解问题，所以每次都能产生正确答案，而专家系统则象人类专家次都能产生正确答案，而专家系统则象人类专家那样工作，通常产生正确答案，但有时也会产生那样工作，通常产生正确答案，但有时也会产生错误答案。错误答案。 4.1 专家系统专家系统专家系统的类型专家系统的类型(1)(1)解释型专家系统：能根据感知数据，经过一定解释型专家系统：能根据感知数据，经过一定分析、推理，给出相应解释。分析、推理，给出相应解释。 (2)(2)诊断型专家系统：能根据取得的现象、数据和诊断型专家系统：能根据取得的现象、数据和事实推断出系统是

5、否有问题，并找出产生问题的事实推断出系统是否有问题，并找出产生问题的原因，给出解决问题的方案。原因，给出解决问题的方案。(3)(3)预测型专家系统：能根据过去和现在的信息预预测型专家系统：能根据过去和现在的信息预测未来的趋向。测未来的趋向。(4)(4)设计型专家系统：能根据给定要求进行相应的设计型专家系统：能根据给定要求进行相应的设计。设计。专家系统的类型专家系统的类型4.1 专家系统专家系统(5)(5)规划型专家系统：能根据给定目标拟定规划方规划型专家系统：能根据给定目标拟定规划方案。案。(6)(6)控制型专家系统：能对接收到的来自被控对象控制型专家系统：能对接收到的来自被控对象的信息，迅速

6、进行处理，做出判断，并采取相应的信息，迅速进行处理，做出判断，并采取相应的行动。的行动。4.1 专家系统专家系统专家系统的类型专家系统的类型(7)(7)监督型专家系统：主要进行实时监控。监督型专家系统：主要进行实时监控。(8)(8)修理型专家系统：能根据故障的特点制定排除修理型专家系统：能根据故障的特点制定排除故障的方案。故障的方案。(9)(9)教学型专家系统：主要适用于辅助教学，并能教学型专家系统：主要适用于辅助教学，并能根据学生的学习情况有针对性地确定教学内容和根据学生的学习情况有针对性地确定教学内容和教学手段。教学手段。4.1 专家系统专家系统专家系统的类型专家系统的类型(10)(10)

7、调试型专家系统：主要用于对系统进行调试，调试型专家系统：主要用于对系统进行调试，能根据相应的标准检测被测对象存在的错误，并能根据相应的标准检测被测对象存在的错误，并制定适合于当前情况的最佳方案。制定适合于当前情况的最佳方案。4.1 专家系统专家系统专家系统的结构专家系统的结构 人 机 接 口 解释机构知识获取机构数据库推理机知识库用户领域专家知识工程师4.1 专家系统专家系统专家系统的结构专家系统的结构(1)(1)知识库：主要存放知识（来自人类专家和科技知识库：主要存放知识（来自人类专家和科技文献的知识）和规则（如何根据已知事实和假设文献的知识）和规则（如何根据已知事实和假设产生新的事实和假设

8、的长期信息）。产生新的事实和假设的长期信息）。(2)(2)数据库：又称数据库：又称“黑板黑板”或或“动态数据库动态数据库”。用于存储用户提出的问题（初始事实）、推理过用于存储用户提出的问题（初始事实）、推理过程中得到的各种中间信息。程中得到的各种中间信息。4.1 专家系统专家系统专家系统的结构专家系统的结构(3)(3)推理机：是一组计算机程序，能根据已知事实推理机：是一组计算机程序，能根据已知事实推理得出结论。推理得出结论。根据推理的方向，分为根据推理的方向，分为3种推理策略：种推理策略：1）正向推理：根据已知事实推理得出结论。）正向推理：根据已知事实推理得出结论。2）反向推理：先提出结论（假

9、设），然后寻找支）反向推理：先提出结论（假设），然后寻找支持结论（假设）的证据。持结论（假设）的证据。3）混合推理：先根据数据库中的已知事实，用正）混合推理：先根据数据库中的已知事实，用正向推理提出假设，再用反向推理，进一步寻找支向推理提出假设，再用反向推理，进一步寻找支持假设的证据，如此反复。持假设的证据，如此反复。根据推理的精确性，可分为根据推理的精确性，可分为2类：类：1）精确推理；）精确推理；2）不精确推理）不精确推理4.1 专家系统专家系统专家系统的结构专家系统的结构(4)(4)解释机构：是一组程序，能跟踪并记录推理过解释机构：是一组程序，能跟踪并记录推理过程，负责给推理过程给出必要

10、解释。程，负责给推理过程给出必要解释。4.1 专家系统专家系统专家系统的结构专家系统的结构(5)(5)知识获取机构知识获取机构1）知识获取也称为学习功能，它为建立、修改）知识获取也称为学习功能，它为建立、修改和扩充知识库中的知识提供手段。和扩充知识库中的知识提供手段。2）知识获取过程）知识获取过程由知识工程师和专家系统中的知识机构共同完成。由知识工程师和专家系统中的知识机构共同完成。l 知识的获取：知识工程师负责从领域专家那里知识的获取：知识工程师负责从领域专家那里获取知识，并用适当的方法把知识表达出来。获取知识，并用适当的方法把知识表达出来。4.1 专家系统专家系统专家系统的结构专家系统的结

11、构l 知识的输入：把知识输入计算机。知识的输入：把知识输入计算机。l 知识的检验：对知识的一致性和完整性进行检知识的检验：对知识的一致性和完整性进行检验。验。l 知识的存储：将检验过的知识存入知识库。知识的存储：将检验过的知识存入知识库。领 域 专家知 识 工 程师知识库数据问题提问知识概念解答4.1 专家系统专家系统知识的表示知识的表示(1)(1)定义定义：知识的表示就是将人类知识形式用一种：知识的表示就是将人类知识形式用一种计算机可以接受的用于描述知识的数据结构来表计算机可以接受的用于描述知识的数据结构来表示。示。(2)(2)产生式规则表示法产生式规则表示法1）确定性规则知识的产生式表示）

12、确定性规则知识的产生式表示规则知识：表示一种因果关系。规则知识：表示一种因果关系。基本形式：基本形式：IF P THEN Q或或 PQ产生式规则又称规则，其产生式规则又称规则，其“前提前提”P有时又称为有时又称为“条件条件”、“前提条件前提条件”、“前件前件”、“左部左部”，其其“结论结论”又称为又称为“后件后件”、“右部右部”。4.1 专家系统专家系统知识的表示知识的表示2）不确定性规则知识的产生式表示）不确定性规则知识的产生式表示基本形式：基本形式：IF P THEN Q （置信度）（置信度）或或 PQ （置信度）（置信度）3）确定性事实性知识的产生式表示）确定性事实性知识的产生式表示事实

13、性知识：描述某种事实。事实性知识：描述某种事实。基本形式：（对象，属性，值）基本形式：（对象，属性，值）4）不确定性事实性知识的产生式表示）不确定性事实性知识的产生式表示基本形式：（对象，属性，值，置信度）基本形式：（对象，属性，值，置信度）专家系统的开发专家系统的开发(1)(1)问题识别：确定问题的特征，明确系统要解决问题识别：确定问题的特征，明确系统要解决的问题。的问题。(2)(2)概念化：对问题的各种因素进行抽象化，找出概念化：对问题的各种因素进行抽象化，找出表达知识的概念，建立表达知识的概念，建立“概念模型概念模型”。(3)(3)形式化：设计知识结构，主要包括设计知识表形式化：设计知识

14、结构，主要包括设计知识表达方式、推理技术等。达方式、推理技术等。(4)(4)实现阶段：把前一阶段的形式化知识变成计算实现阶段：把前一阶段的形式化知识变成计算机软件，即建立知识库、推理机、人机接口、解机软件，即建立知识库、推理机、人机接口、解释系统等。释系统等。4.1 专家系统专家系统专家系统的开发专家系统的开发4.1 专家系统专家系统(5)(5)测试阶段：通过运行实例，来检验所建立的系测试阶段：通过运行实例，来检验所建立的系统。检验的内容包括：系统的可靠性、知识的一统。检验的内容包括：系统的可靠性、知识的一致性、系统的运行效率、系统的解释能力、人机致性、系统的运行效率、系统的解释能力、人机接口

15、的便利性等，并根据检验结果，对系统进行接口的便利性等，并根据检验结果，对系统进行修改。修改。(6)(6)维护阶段：主要是修改、扩充知识库和推理机维护阶段：主要是修改、扩充知识库和推理机中的各种信息，使专家系统变得更完善。中的各种信息，使专家系统变得更完善。4.2 专家系统在材料科学中的应用实例专家系统在材料科学中的应用实例金属材料腐蚀咨询专家系统金属材料腐蚀咨询专家系统(1)(1)总体结构总体结构：主要包括知识库、推理机构、解释：主要包括知识库、推理机构、解释模块、用户接口等。模块、用户接口等。(2)(2)咨询过程咨询过程：确 定 金 属材 料 是 否腐蚀确定腐蚀类型确 定 防腐 蚀 方案金属

16、材料腐蚀咨询专家系统金属材料腐蚀咨询专家系统4.2 专家系统在材料科学中的应用实例专家系统在材料科学中的应用实例(1)(1)知识库知识库：其知识库中大约有：其知识库中大约有100多种关于金属多种关于金属腐蚀的规则，可以识别腐蚀的规则，可以识别12种金属腐蚀类型，如：种金属腐蚀类型，如：均匀腐蚀、电偶腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀、晶均匀腐蚀、电偶腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀、磨损腐蚀、细菌间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀、磨损腐蚀、细菌腐蚀、氢腐蚀等，具有解释功能。腐蚀、氢腐蚀等，具有解释功能。 (2)(2)推理机推理机：不精确反向推理不精确反向推理 l假定是某种腐蚀类型假定是某种腐蚀类型 l将用户输入的腐蚀症状的置信度权值相加将用户输入的腐蚀症状的置信度权值相加l与该腐蚀类型的阈值进行比较，如果大于阈值与该腐蚀类型的阈值进行比较，如果大于阈值则假设成立。则假设成立。 金属材料腐蚀咨询专家系统金属材料腐蚀咨询专家系统4.2 专家系统在材料科学中的应用实例专家系统在材料科学中的应用实例金属材料腐蚀咨询专家系统金属材