专家系统的定义和特点

1、专家系统的定义和特点专一系统国局iESysteal,ES)是人智徒(Ait市dMIntelligence,AI)领域防用最为广泛、活跃的一个分支口它是一种在某些特定领域内能以人类专家的水平解次四带问题的计算出程序奈统江，其主要特征是依晶人关专家经验性的知设解决各钟卦年构优问题”.特别通用卡尚未完全理解的涧城.一个专家系统具备以卜叫力显著特点a：拈发性.不仅器使用遗辄性知识，也能使用自发性知识,可运用规范的性门知识和直觉的判断知识对进行判断、推理和联想.实现同建求解；透明性土能向用户显示推理过程，升睨期判新性结论的理由，即具仃解样与祥淘能力，从而对用户进行教学与培训：展活性;推理机与知识活相互独

2、立】与知识库能方便的进行修改与增删.而不涉及推理机晌变更，即具有在非编程状态下犷充与完善知识库进而改进系统性能的能力实用性:可长期保存人类专家的却以与热验，且匚作效率高、可靠性好.能派染众多专家的特长.达到高于任何单个当冢的水平.是保存、传插、使用及提高专家知谟与经验的有效工具.鉴f这些特或，“家系统己广泛地应用于展疗诊断、图像处理、金做决第、实时监控、分子旗传工程、军事等多种领域中,取得了R好的经济效靛和社会效肃口2.2专家系统的结构专家系统的结构惬当于一个容器，它将专氟鼐统的组成部分包容在:其中.很定着康家东统内部各功能模块的相互联系和工作方工3日前.常M的卡家系统的结构有以下几种一莘4基

3、本结构L家系统的基本结构如图T1所示上蚣邮决何及)：ii-J：I.匚.|巾结果.存案ffl21白或系统由亚本结构Fig21theelemeutarydmctmeofexpertsyitem它是早家系统最阳采用的结构.比较而单，只是确保仁家系统能解T作,并不具备人机之间的交互功能一般结构专家4统府一般结构由知谡序.推理机、数据库、解一机、知识获取机和人机按M等几部分组成,其结构如图2.2所东。H2.2专营系统的一取绪构F1&22Thegeneix对lucturtofexpeiisystem1)加以库(Knowledgebase)；知领库是专冢系统的核心.它由事实性蜘诅和肩发性知识组成T是

4、一个料域或特定问电的若干专家知识的集合体.2)推理机(iHferenaEngine)：推理机地一组用来控制、协调整个斤家系统的打法、策咯的制厅.它帆板用户的输入数州.利用知识库中的知识.根照一定的推理策略.求解当前问题，解释用户的请求，最终推出结论.3)故振用(Database)：数据库用厂存储仃K领域间迤的事实、数据,初蛤状强、推理过程的各种中间状态以及目标等，反腆系统要处理问题的主要状态相持征,是系统探件一的对辕.4)解释机(Expl的耻8yMadiiM)!解释机根据用户的提问，对系统提出的转论、求解过律以及系统当前的求解状态提供说明.便子用户理解系统的问题求修过程.增加用户时求小结果的信

5、任程度.S)知iR款取HL(KnoiAdedgeAcquisiliDnMachine)；如欣才上心机足期域治家和知识工程珅与知识库的接Lk迥过该接口.朝域专家可以将经验性知识转化为讣算机可利用的形式并送入知识库的功能模跳,同时也负责知识库卬知V1的体改、删除和更新.并对知识的完整性和一、致性进行维护,使知识不断的犷充制更新，从而不断改善原统的性能.6）人机接口（Man-m日GhmcInter由gR人机按口将专家或用户的输入伯息翻译为索统可接受的形式.然后把垃典书思文给相应的模块去处理,另一方面.把系统向专家或用户检出的行息、转向成人柒易于理解的表示雅式.理想结杓手家靠统的理想结梢如阕2.3所示

6、m黑板碓用机构图2.36K萦统的理想结扪Fig23Tliegcnei'Krtiuctureofexptitsystem专家奉境的理想特梅是由著名的知识工程和专家京统学番FHayesRoth.DAWaterman种DB.Lcnat筹提出的.这珅站物的他包来源于语音以别行家系统HEARSAY的由板择制结梅和小卜炮I.0J的专家塞统结构“黑板（BladcboarE用于记录系统在求解过程中所产生的中间假设和结梁，包括解建规则、议事H程和中间结果。规则描述总嶙的解题彤弊，议程记录番号匚执仃的匚作，结果&小聚统到目前为止所生成的候选假设和中阿结果以及这蛇结果之间的从属关系.推理机构（Inf

7、erencemKhamIm）:分为执行管、调度器和致性处理器三部分.执打笔根据诙处刑模块交售的任务,从调度罂生成的议程中适当选杼一个项目他仃变量替怏、推理9搜索箸解西步罪：调度瑞管理控制议程，决定卜一步眄T作二一St性处理器保证解答的一致性.U前还没有一个专家系统能包括这个结构的所有部分，留个实岸的专家系统根据任务要求和特戌包含核结构的一个城儿外梆分。23专家系统的知识获取专家系统的知识获取主要研究如何籽用于求解专门领域问题的知词（包括断含.事鎏、关系和方法等）,从专家头脑或外部知溟源如支献、招籍、贲料）中提取总结出来，并转换为特定的知识表示形式编入专家系统的知识岸中工'如获取方式育非

8、门动.自动和基于神经网络三种方法.满仃砌知识获取中自动知识获以，也称为人工获取，史知讴工程师亏瓠域方案密切合作以人工方式实现的.知识工程3首先从领熔专家和有关技术文献中获取知识.然后用某种知识编辑软件输入到知母库中.其工作方式如图24所求.械城专家.34|.自动剑通亚取FigJ4UiutnmtK1。再人dgeHQui疝仙口门动知识获取n动知识莪取足指系统nmh行莪取知识的傩力.它不仅可以直接叮测域早家对话，从专家提供的原始信息中“学习”到专家系统所而为垢工.而且还能从系统自身的溶行实践中的钻.归纳出新的知识,发%知识中可能存在的的洪，不断自我的善，建立起性能优艮、知识完善的知识库.要实现自动的

9、知识萩我,一般要解淡机器感知、机豁识别和机器学习的问题.图？一5是外门动知识获取模型国口图2.5自动知识蚣取模型Fig25Aufornnticknowkdge(icquusitionmodel®收,神的网络的知识俣取基J神经网络的知识获职是沏过对额«专家提供的大屋故障实何进行学习.从中提取如识,而这种初识隐含地分布存储在网络中。神晓网络可以提取类似实例之间的相似性和不同实例之间的岸片.如之的数量和质趾的提高.悻现在网络中神”兀之风连接权tfi的调帏过程中.这种如以获取方式:只需要/域号家给iH诊断实例,并不儒要知识工程师从领域专求的绎验中提取规则，因而在一定程度上缓解或克服

10、了使用人工方法带来的知识获取的腼颈问题口2.4专家系统的知识表示苫家然的匈I识表示是对如羽的种描述.或齐心一组约定,一种计算机可以接受的、用于描述如谀的数据结构.对知识进行表示就是把知识表示成能翳用于计莞机存储和利用的某种数据年梅的过程,是知识的符号化和形式化的过程知识表示行两个方面的要求:一方面.要尽量接近领域专家在自己工作和思雄过程中所采用的瑙式，这样有利于提高知识表示的潴确度和降低知讯编码的雄度工另一方面,要必须考虑如何节省存旷空间和如何提高专冢系统的效率.目前使用较多的知识表本方法主要有以下几种；逻辑表示法,产生式表示法.他娘表示法、廉义网络表b法,面向对S的知识表示法等叫巡轼表示法逻

11、辑表示法是法各种基于遭干的知识囊水法.法人工智能中使用我零的知溟我军法.耳中一阶谓词表作法最为广泛.逻辑表不法求解个问题分为三步：1；，用谓词演算鞫时即膨式化，外在逻辑表小的膨式上建立控制系统：为证明从初始状态到it终结状态口这种方法主要用于自动定理证明问题髀等.机器人等领域。逻辑表示法的主要优点=I）符号值单，描述易于理解：2）白桃*严密、更活和模块化：刃小仃严密的账式定义：4）摊项串实只需要表示一次：5）利用定理证明技术可以从老的事实推理出新的事实.其主要缺点1）难于表示过程式知识和宿发式知识G由于缺乏维银原则.利用该方法表示的知识库难于管理t3）由于弱证明过程，当事筑的数H增大时明产生维

12、合鄢炸.产生式表示法ANewil和HASimon在197。年研究人类的认溟模型中最先开发了基于规则的产生式系统（PmduetitmSystan）,产生式系统是人工智能中经常采用的一种计算机系统.它的基本要素包括，产生式规则、琮合数删庠和控制系统以叱产生式规则是由描述阿题求解领域的一股知胆规则构成；综”数据厚是描述臬统状态的事赛和断言.控制系统是选择执行的第则，完成问题的求解.产生式规则的股式是上IFPTHENQ其中,IF被称为条件部分，F表示前提、状盘&原同等：THEN被称为操作部分或绪论部分，Q表示结果、动作、内袅等，其含义是；如果（IF）前提满足，则时推出（THEN）结论或执行所规

13、定的动作.控制每统即推理结构采电“匹配一动作”的循环执行现则.整个过程包括三个步疆;1）找出全局数据库中数据匹配的麒则集合；口理此期则集中选取一条规则,为执行规则.修改全局数据购I产生式表.法的主要优点：D易形或模块性，规则表小门然方使：2）易，增加、删除,更新规则13）仃和F表于后发性知识,籽别是允许利用球域知识立接掰导演泮过程；4）易广保招动作师T：变化的踪血S）仃利挣制说明性和il科性命虺之间的互相作用.其主要缺苏：1）碓于维护大型系统之向的横块性:2）规则之间的的束及相互作用会降怔推理效率.©强架表示法框照表小法上MMiMkv在1975年为实现初觉感知、门然语言对话和其它复杂

14、行为的描述时提出的一种方法口框架是把某一特殊事件域对象的所有如谟存储在一起的一种达杂的数据结构.通常用来描述具有固定形式的对纵.一个椎梁在坨血日由一盥懵（£1珑）组成，每个槽裹示对象的个属性，槽的值（Filler?就是对象的属性值.一个槽可以由若干个偏血伊白血“组成，号个侧面叮以fj一个或多个值框栗的槽还可以是附加过程+掰为过程部件（Pmcuduralattadirneni）1包拈子程序和某种推理过程.框桀的结构可表示如鼠框架拓噌各1士怡值1槽看士情值2瓶名ii侧面1*槽值占侧向2；槽值勺侧面皿槽值.18名m惜值口框架表示法我主要优点！1）营利厂期书制审的处理,即人们所在的特定环境寻

15、找期望的事情动在给定密状况下，通过设计幡决定其本身的可利用性或提供n它框架可知识at税方式有利于推理,其主要校点工L）许多寞际情况与原型不符工2）材期的情况不易适应.语文网络表求法小义1闻络（§0113141'亡皿口血51）是1964年JRQuill旧11作为人类原想i（2忆的个显式心理学馍蟹最先提出来的，197（5年美国SR1国际研究所开发的地质勘探。家系统PROSPECTOR第次把语义网络技术成功地用J知识左东.一个语义网络可以描述为：SN-N.E）.K中，N是的行限正E庭迎接N中节点的前标M的行向边的集合.在语义网络中r仙点向的语义状系可以枭用系统恻定义，也可以由用户自

16、定JG语文网络的i要优点工1）重薯相关性能被明S6清晰地表示出来2）相关的事实可以从其直接相连的节点中推导出来.而无缜起出整个庞大的知也库；3）能在网络中建立姓矶继承国次;4）能镖利用少量的基本fit念的记号建立状态和动作描述.其主要缺点±1）不能保证网络操作所的结论的仃效性；与对广网第不存在标准的术语和期定语文解稀取踪于操作网络的程序：3）网络的赦索需要制仃力的编织原蚂.®而向时象的知讴表而法面向对能的知识表示法是一种理想的知识表示方式.它以抽象数据类型为基琳能方便地描述复杂对象的巧态特性、动/打为及相互作用兼有其它表示方法的优闿向时敛庭院的基本组成叵*11）对效Sbju

17、可；揩知以和怏用它的一组操作或过程封装在坦得到的个实体12）（dass）s具有相同站构、幅性和动能的受体所枸哑的集合,时联是先的实例彳引济息（mws延小种包含词用时©、和值、过程鼾和返IE值等空息的一种我体，它统一了知诅流和控制端.是崇统中时粮同产1:联负的削带；4）斛用（inhmtaDE）；子对柒娄）镰承父对象的属性H】功能.整个知识系统由对等（:类）组成一个层次性网络模型,各对象（类:通过消息相互威系.电戒一条I然的抠理琏.共同合作完成对一介问题的求解.面向对象的知M表达方式将多种单一的知词表达方法按照而问时装箱程厅设计原则级亥种混合知识表小心式，集中了春种单如谡&达打法

18、的优点:，乂符合专家对领域对象的认知模式，椅对象的概含栉对象的性质威系在一起,而向时软的却识正具有良好的体系结构，11过对象类的知识表达，实现敌据抽象与精息共享.加强了知识的重:复使用能力，易于推护,便于专家系统的开发.2.5 专家系统的推理与控制策略2.6 J推理的定义和方法推理是根据一定的原则公理或规则）从已知的事实（或判断）推出箭的事实（或另外的利断）的思维过程，其中推理所依据的事实叫做前提（电条fl），由fjij提所推出的新事实叫嫌结论押；推理方式按照不同的悚准,以F几种分类方法啊一纬推理和归纳推理一纬推理是从一般性较大的前提推出一股性较小的结论的推理苒楹雎过程是由一般到个别.演择推理

19、的结论原则上不超出前提的范围,演鲜推理的前提和结论的联系是必然的,只要前提真实.推理形式正确,则结论一定是可靠的.归纳推理是从一推理较小的前提推;H一殿作较大的结论的推婢，其思维过程是由个别到一般.归纳推理的结论一般都超出前提的范周？白纲推理的前提和结论的联系在很多情况卜，;是必然的.建结论的怦用有的是赢实可整的，有的却带仃或然性.精确推理和不精确推理希确推理是指前提和结论之间仃确定的因果关系.丁良用的己如奴据和知识是完整精确的，推则所得到的鳍论是正确可靠的.但是,行相力部份人类如训，,人们的H观刊断,是不精确的和窜期向.这列代希确的和川川正龙仃出现称为不精确推理，在。家系统卬.亚希采用不精确

20、的推理1这是由于它所舞决的问题大多属于不良结构问题.第调推理和非电调推理单调推理是指随着推理过程的向前推进和新知识的加入，推出的结论厘阜调增加的趋势，并且越来檀接近最终H标.在推理过程中不会出观反贪的情况.即不会由于新知识的加入否定了前面推出的结论，从而使推理乂退回到前面的某一出.非单调推理是指在推理过程中也于新如识的加入，不仅没仃加强J推出的结论.反例要否定它,使科推理退回到前面的某一步，重新开始.非单道推理各是在知识不完全的惜况下发生晌252推理控制策略推理控制策噜主要解决整个问题求解过刊的知识选择和阿用顺序,即决定先做什么.后做什名,拜根据问题求解的当前志分别做不同的工作,确定一日.出现

21、异常情况如何处理等.目前，专家系胸中采用的推理策略有冲突消需筮略推理方向策略、推理搜索策略、求解策略和限制傩格等酬.：|冲突消解策略在推理过程中.系统要不断地用当前已知的事实与知识眸中的知以进行M配,此时可能发生这样的情况二已知事实可能与知识库中的多个知惧匹配成功,我m称之为发生了冲突.这就需哭按一定的策咯解决，以便从中挑选一个知识用于当前的推理，解决冲突的过程称为冲突荒解。冲窕消解第略的基本思想是将多条知识按优先级播序.常用的有；1）按计对性择序I优先选用针对性较旺的如谈.因为它要求的条件较各.其钻馆股更接近于目标.一H用到满足.打缩如推理逑程.2）按匹配度拜序：优先选用匹配度新的知识.在不

22、确定性匹配中，为了聃定两年知识模式是含可以匹配.需要许克这两年模式的相似程度，力n桁似度达到某个冠先规定的值时.就认为它们是可口配的D3）根据领域问题的特点排序1节领域问题有固定的求解次序时，可按该次序对知识年中的知谟排序.排在.访曲的知识优先被使用.推理方向策略推理方向用于确定推理的驱动方式.分为正向推理、反向推理、沮合推理三种.1）正向推理正向推理是以己知事史作为出发出的推理，又称为胸据理是以理“前同能推理、楣式制导出理利而行推理等U式以本思根足:从己知的仁；息出发，选旧介话的知就.勇步求爵行斛的阳遗.小休过村!也用户将幕求职间丁仃关的；息称入劭志数据摩.施理机恨部这里信息，从知识率中透取

23、适用的知识，行出新的精息存入动态数据方，再根据节前状态选用知识，孤此反兄,直到求出解为止.止向推理的优点是用闩可以主动提供问题的仃关信息同以对用户输入事实做出快速反附，而且可以求出全部解°其不足之处为知识启用与执行目的性不强,求那当中可能赛执行许参与问题求解无关的操作,导致推理过程的低效率.上）反向推理反向推理是以某个假设H标作为出发点的推理.乂航为U桁邺动推理、逆向融推理、目标制导推理和后件推理等.其基本思想是：首先选定个假设“标，然后寻找支持濯偎设的证据.若所需拘证据都能栈到，则说叨原假设是成立的；若无论如何都揽不到所需提的证据.则说明原假设不成亢.此时需要另外选定新的微设.反向

24、推理的优点曷推理过程的方向性强，不用寻找和不必使用帮些与假设目标无关峋天息和知识,其不足之不是初始目标的选抨较为肓H，没有充分利用用户提供的器息.若不符合实际就要多次提出假设，也会影响到系统的效率.3）源合推理阻台推理是忡标台利用正向推理和反向推理各自优点的有效方法.其基本思想是:先使用正向推理耦助选择初始目标,即从已知事卖用蜂出部分结果,据此选博个II标.然后辿过反向推理求解该U标，在求解这1HI标时又会得到用户提供的更多信息.再正向推理.求得更接近的目标，如此反复正向推理一反向推理这个过用，直至问题求解为止.混合推理的优点是融合正向推理和反向推理的优点I还能压缩搜索空间.提高搜索效率.但其

25、控制值略较前两者兄杂.推理搜索策咯在解决同侬的过程中，根据何版的实际情况.构造一条代价较少的推理路线.使回腹得到依I而解决的过程用为搜囊.常见的搜索方法行宽度优先擅索和深度优先搜索两网.1)宪设优先搜盍(Breath-FirstSealcKBFS)宽度优先拽索又称广度优先搜索，JI其本思想是从初始位点壬开始.逐层地M节点进力，广展，并考察它髭书为II标节,立在时第n层的节壮没仃鱼部扩展并考察之前.不对第915的节点进行扩展，搜索过程的流程图如圉2J5所不。.2.6先接索优f网Fig2,6TIkfloitfiguhdfbitatli-.tintseaich好优先搜索的优点噌eJ注册观的I否种甯后

26、.L此门厂门!M解.采取该方法就一定能以最婢峋鼎桂搜索到这个解.其不足之处是随着搜嗦深度的增加.卜步的搜索抬也可能会里指数帽长.因而所耗督的时间耨是巨大的.2)深度优先拽索则FirstSafch.DFg)深度优先搜点的底本恩想为从初始小点再开始，在箕子0点中选梆一个行点进行考察,若不是“标节点,则在诱行点的子犷点:中选择一个W点进行考察，一直如此向下搜索口深段优先搜索与宽度优先搜索的唯一区别是:宽度优先搜索是招节点n的子节点放人到TlfiWMTHWME优先捷索是把节.苴n的子江点放入T，的苜部.深度优先搜索的不足之处：仃可能合出现无打通心的情况.从而搜索不到制要的解即使搜索到电楹可能不是班蹄役

27、，会泡费很大时间和精力.2.7 专家系统的解释机制。家系统的解释机制仇点忖横域专家或用户提出的间物编出解并或说明,实现了系统的透明性，是专家系统区别于其它计算机程序藤统的更要特征口解养机制主要有两个功能：一是专家菜统同用户的交互过程中.系统的行为能产生易于被用户理解的说明:是衬系统知识片的静态说明口目前，解解M制的实现6UE嬖有以卜叫神乳：£文本法(PreparedText)预置文本法乂称唱片解粹/(Qnn式E维励而口坨.用到一问题求解方式的解弹预先用自然语言或其他易J：理解的用式写蚓，插入程序段或相应的数据作中.在推理过程中或推理之后,一旦用户询问到己有句!置修科文本的他施，只需要

28、把相应的解释文本填人解骅梅架,纨织成对这个问题的解馨提交绘用户.预置文本的解释方法简单直观，知识工程师在编制解罪的预置文本时，可以针时不同用户的要求编制出不同的解粤文本.但是，对每一个时能的问瞋都要编制解释想置文本，甚至对一个问题襄姐制几个解释畏置文本.大大增加了奈统开发的工作W两品即向法(TraangEplanation)路裕跟踪法是对推理过程进行跟踪，将问题求解所使用的知识门痢记就卜来口%用户提出需要解铎时,解释罂向用户显示何题求解路钱口路村跟踪法向用户提供Why解柞和Ho解和.对Mg间题的回答.系统在证明过程中确定地嗯一个就则同当前系统提间仃关.将该规则告诉用户便完成了解释：对H。咖题的回答需从I/.Ih医.I找椎TW训过口把推叫恸沙匚的L.1成口ii成七算文本.告诉用户是心祥的措刑路役导致避前的结论的.路沦跟踞解惮法的上瞿忧戊是解样过程简单，保证问姮求解近程与解糅机制运作的一致性.但是所作的解辕说明如何At用不容易理解，缺乏行为合理性的说明,3)策略解样法(StrategicExplanatiDii)策略解择法是在开发医疗诊断教学*家