专家系统理论与设计原理

1、专家系统理论与设计原理近年来*专家系统(ExpertSystem)在人工咄能硏究领域申*一直是最活甌、应用巅广泛的个廿支.专藐系统在解决实鞭闷题时能够得出专家级别的解该特点使专家系统的删处从卖隹室迅速发展到杜会生活的方方面面国内外已经有許多专家系统在E业、医疗、交期、军事、农业、商戏、轻济管理等各种领域取得一些成功创适了巨大的经济效益和社会效益回"2.1专家系统的槪念鶯专家”星指在某领域内具有扎实理论皋础和丰富实脈经验的人员在专家系统中亦称领域专家领域专家金长期的生产实践中积累了比他人丰富的专业知识和实跣经脸*具备特有的分析问题解決问题的能力，能从许多貌似平相关或凌乱的仅息中迅速发现

2、问題本质，提出解决问懸的恩路、策略+丘生产实践中人怕也坦切希里能得到专家的書悖豹稱曲再专家系统(ExpertSycm)是以相关领戦却识为幕础冥有专彖解抉问翹能力的智能计算机程序系轨.它远用内部包含的大豆专家级的知识与经验.模拟领域号家解决问题的思賂策略.进行推理判断.处理复奈问IB专家系统是基于知识的系毓构軽专家簌统就涉欢列知识孩軾、知识的组织与宦理*知识甫建也与堆护知识的利用竽込专家系统的结构是描专家系统各组成部分必*1角组织形式。完成不同任务的专家系筑可龍具有不同的结构和功腮n般来讲.专家系统都应包抵六个组成部分：人就交互接口、解释接口、推埋机、综合数踮阵r知识库以忑知识获取，直一般结构如

3、图2J所示.h人机交互接口人机交互接口是专家系统与领域专家、知识工程师及用户Z闾进行联系和购通的根序集合。其基本任劣是进行数据、信感哦命令输入*结果输出和信息显示等”领域专家或知识工梅肺可以通过人机接口输入新的知识，更新、完善知识库；用户则坍过人机接口输入间题的实际怡况"向幕统提出咨询；系统遇过它输出求解结果WI警用P的闻问等.人机交互緩口是使用霜和昨护荐与专彖系统进行交流的通道，它的功能及界而直接关系到人机交流的效率及效杲推理机推理机知识库解祥接口人机交互接口问题描述解答.建议和解92-1令家系炕丼枸图Fig.2-1(bestructureofexpertsystem2、解释接口解

4、廉接口基本任务是跟踪并记录推理过程，向用户解释专家系统的行为。解释机构还可以帮助知识工程师发现知识库及推理机中的错误或存在的问题，有利于系统的调试、维护及龙善工作.解释机构功能的强協反映了专家系统的透明度和可信度，它是取信于用户的一个敢要措施。3、推理机推理机是专家系统的*'大脑”,是实现专家系统椎理功能的一个或-组计算机程序。在专家系统中，推理机根据用户提供的事实，利用知识库中的知识，按照一定的推理方法和求解策略进行推理，求得问题的答案"推理机和知识库构成了专家系统的核心.4、综合数据库综合数据库又称全周数据库，用于存储问题的初始数据、惟理过程中的过渡数据和倍息.5、知识库

5、皿）知识库存放若领域专家所提供的专门知识这些知识包括与领域相关的书本知识、常识性知识以及专家在生产实践中所获得的经验知识。知识库是专家系统的基础，它的建立是开发专家系统的中心任务之一.逢立知识库是以知识表示为前提的，知识表示是对知识的一种描述，是一种计算机可以接受的、用于描述知识的数据结构，冃的是便于计算机存储和利用专家知识。H前使用较多的知识表示方法有：一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法、能架表示法、语义网络衣示法'面向对象表示法等.随肴专家系统的发展及其应用领域的拓宽，未来会出现更多、更适用的知识表示方法.6、知识获取（刃知识获取机构由一组程序组成，其任务是从某些知识源中搜索、提炼专

6、家系统问题求解所需要的专门知识，井把知识输入到库中，转化为推理机所能识别并利用的形式，建立起性能良好的知识库.专家系统的知识获取一般是由知识工程师与专家系统知识的获取机构共同完成的专家系统中的知识有很多来源，如课本、论文、经验数据以及系统自身运行的实践等等，其中主要知识来源是领域号家。知识工程师则通过与专家的直接交流来获取知识.知识获取方式般有人工获取、半口动获取和自动获取三种.人工获取方式是通过知识工程师与领域专家合作，对冇关匆域知识和专家知识，进行搜集、分析、整理、归纳等处理后将有用知识总结出来，用丁知识库的建立。有的专家系统具有部分学习功能，利用某种专门的知识获取系统（如知识編辑软件），

7、柄助专家提取、归纳有关知识,-或者通过系统的运行实践归纳、总结新的知识，并自动记入知识庠.这种知识获取方法为半自动获取.还有些专家系统具有自动获取知识的功能，一般分两种形式：一种是在系统运行过程中不斷地总结经验.并修改和扩充知识库：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，并塡充知识库.它不仅可以宜接与领域专家对话，从专家提供的原始信息中学习知识，而R还能从系统运行实践中总结、归纳出新的知识，发现和改正自身存在的俏误，并不断地自我完善，便知识库逐步洛于完整、一致.2.2专家系统的设计2.21设计原削在拿握了知识获取、知识衣示、推理机制以及解释器的星本技术后，就可以进行专家

8、系统的设计工作。在设计专家系统时，要遵循以F原则K知识与知识处理机构相对独立的原则专家系统的知识库是不斷更新和完薈的，而推理机构是讼算机程序的一部分，其维护与更新相对较闲难因此，为适应知识的更新与变化，増加系统适用性，提高系统易维护性.知识库与推理机相对独立是设计专家系统应遵循的首要原则。2、按系统功能进行模块设计原则模块化设计杲计算机系统开发的常用方法，为使系统脉络清晰、易于调试，绝大多数专家系统均采用按系统功能划分模块的原则，将专家系统划分为几个相对独工的功能模块.3、交互性原则用户使用专家系统或者管理人员对系统进行维护都需要通过人机交互界面来完成,尤其用户在咨询过程中，需向系统表达相关事

9、实，系统则要向用户输出求解结果及相关解释信怠，另外用户使用系统的过程中，也可能要回答系统從出的问题，以利系统更有效地工作，这就需要有一个良好的人机交互接口来实现.因此良好的人机交互界面及良好的人机交互能力是专家系统设计必须实现的目标之一.4、合作原则专家系统的构造者涉及领域专家、知识工程师、软件工程师、用户、系统管理维护人员等。这些人员都是设计、开发或使用专家系统的直接人员，在设计开发专家系统过程中，必须将这些人员很好地组织起来，结合各自的特长及要求充分发表意见和建议，为设计充善、高效的专家系统奠定基础.5、应用相关工具.采用原型法开发专家系统这是设计开发专家系统的鱼要思想方法,若能利用育效、

10、适当的开发工具或平台，会大大减少系统开发的难度及工作量.另外.由于专家系统涉及知识虽大、涉及人员较多等原因，其设计开发不宜一步到位，较理想的方法是采用原型法，先设计开发具有部分功能的原型系统，再在调试、应用过程中扩充知识，使梵功能不断完善.2.2.2专家系统设计的关键因素设计专家系统的关键冇两大部分，一是建造知识库.主要技术是知识获取和知i只表示;二是设计推理机构与推理策路,主要技术是基于知识规则的推理和対推理解释。知识获取是从领域专家处提取知识.并将其转化为专家系统思序，是一个艰巨而细致的过穆而知识表示主要研充各种语义信息的数据结构设计，以便在这些数据结构中存储知识，开发各种操th使知识表示

11、和运用知识的控制以及新知识的获取相结合，把领域知识有效结合到程序设计中。推理涉及的两个基本问尊是推浬方向的选择以及冲突消解。正向推理和反向推理是两种基本的推理方式。推理方式的选择决定于待解问题的待点以及领域专家的习惯"在求解某具体问题时，当可用知识不止-条，如何有效选择其中一条并加以利用的过程称为冲突消解.而这些关键工件的直接参与者就是领域妒家、知识工程师、软件工程师、用户以及专家系统工具的建造者。金专家系统的设计和开发过程中，这些相关人员的关系如图22所示.图2-2专家系枕议计老及相关工作的关系Fig.2-2therelationsamongexpertsystemdesigner

12、sandtheirtasks图2-2专家系枕议计老及相关工作的关系Fig.2-2therelationsamongexpertsystemdesignersandtheirtasks终端用户专家系统设计开发专家系统的开发过程一方而要遵循软件工程的步雅和原则，另一方面又冇其独特的地方.其设计与实现的-般过程如图23所示。S2-3$寥系饥迪计与实现的过程Fig.2-3theprocessofexpertsystemdesigningandrealising1、选題与明确任务选题前先要对问题进行调研，征求多方面的克见，列出所有町供考虑的问題：然后确定候选问题，通过分析、交流、讨论，最后确定开发何种专

13、家系统更适合该领域问题的求解.明确任务就是要刖确问题的相关要素，如问题的类塑、范困，开发过程需要哪些参与者，构建该专家系统的目标、前提、工作坏境以及与问題有关的知识领域等，还涉及研兗问题的难度估计和开发工作的预期进度，系统开发所需依赖的资源等系列工作。2、系统分析阶段系统分析的主要目的是确定系统所研究的领域是否适用专家系统.如果适合，则所面临的何题就是用户是否对其有需求.如有需求，还要分析设计开发此系统的成本和收益该阶段主要完成开发专家系统的可行性分析.3. 皱域棟犁阶段该阶段的主要任务是获取专家系统所需的领域知识并构建知识库.a领域概念模型领域概念模型是采用一种适于知识处理的方式对相关概念、

14、实体对象及关系进行描述或表示此阶段的主要任务：一是通过走访领域专家及现场技术人员，査阅国内外大量的文献资料来获取领域知识，拿握专家处理领城问题的方法和思路：二是对所获得的信息进行分析、比较、归纳、整理，找出大斎领域知识Z何的内在规律，建立相关的领域概念模型，并请专家审查。b领域形式化模型领域形式化是采用特定的符号语吉描述电耍概念和关系，将问題分解或变换，将冇关知识和经验条理化、层次化、系统化.按照严格的关系建立领域的符号化模型，便于计算机识别和利用.c领域知识库的构蹩领域知识库构建是根据形式化模型，选取相应的知识表示方法及推理策略，用建造专家系统的语吉和工具把获取到的专家知识逻辑性地表达出来，

15、并以适当的形式存储到计算机中最终形成知识库。主要包括领域知识表示模式的选择、推理机制的确立等工作内容.4、系统设计系统设计的主要任务包括：对系统的进一步理解，详细定文所涉及的问题，确定实施策略、推理方式、对话机制等.具体地说.系统设计的内容就是知识库设计、知识库操作设计、系统体系结构设计、知识描述语言设计、知识库管理系统设计、执行机构的设计、总控与界面设计、推理解释机制的设计、菜单命令的设计寻.另外.设汁要为项目管理提供宜观的监测点，使用户参与系统的开发，合理组织人员，协调项日进展.5、系统实現系统实现阶段，知识工程师把形式化的领域知识转变成计算机程序要解决以E问题：在知识库中将规则和爭实分离

16、：知识表示的一致性：推理机的只体实现；工具和语言功能的适当扩充：智能知识编辑.编制程序时要考応内容和形式的一体化.内容来自于形式化时显式表达的领域知识，亦即数据结构、推理规则和问题求解所需要的控制策昭.形式是由系统开发语言所决定的.一体化包括各种知识的结合和垂组，以淄除数据结构和规则或控制说明之间的不匹配.程序编好以后，还要将程序在计算机上进行编译、验证、修改，反复调试，保证程序顺利运行。6、测试与评价专家系统原型软件必须反复进行测试与评价，发现并改正其中的错课.完善系统功能，才能使之更加实用，因而有必要通过运行大星的实例来检测系统的性能以及系统的实现方案是否合适。对系统的测试和评价主耍看它解决问题是否达到专家水平，知识衣示模式的选取是否恰当，知识库中的知识和推理规则的正确性、完整性、一致件如何，知识库维护是否容易，人机