南邮自动化人工智能6-专家系统

1、人 工 智 能第6章 专家家系统6.1专家系统统概述6.5新型专家家系统6.2基于规则则的专家家系统6.6专家系统统设计6.3基于框架架的专家家系统6.7专家系统统开发工工具6.4基于模型型的专家家系统6.8小结6.1专家系统统概述专家系统统(expert system)是人工智智能应用用研究最最活跃和和最广泛泛的课题题之一,是目前AI应用研究究的主要要领域之之一。定义：是一个个含有大大量的某某个领域域专家水水平的知知识与经经验智能能计算机机程序系系统，能能够利用用人类专专家的知知识和解解决问题题的方法法来处理理该领域域问题；专家系系统是一一种模拟拟人类专专家解决决领域问问题的计计算机程程序系

2、统统。36.1.1专家系统统特点专家系统统具有一一些共同同的特点点和优点点专家系统统具有下下列3个特点：启发性透明性灵活性46.1专家系统统概述6.1.2专家系统统的类型型解释专家家系统预测专家家系统诊断专家家系统设计专家家系统规划专家家系统56.1专家系统统概述监视专家家系统控制专家家系统调试专家家系统教学专家家系统修理专家家系统优点:1.解释专家家系统(expert systemforinterpretation)任务通过对已已知信息息与数据据的分析析与解释释，确定定它们的的涵义；特点数据量很很大，常常不准确确、有错错误、不不完全能从不完完全的信信息中得得出解释释，并能能对数据据做出某某些

3、假设设推理过程程可能很很复杂和和很长应用语音理解解、图象象分析、系统监监视、化化学结构构分析和和信号解解释等66.1专家系统统概述2.预测专家家系统(expert systemforprediction)任务通过对过过去与现现在已知知状况的的分析，推断未未来可能能发生的的情况。特点系统处理理的数据据随时间间变化，且可能能是不准准确和不不完全系统需要要有适应应时间变变化的动动态模型型例子有气象预预报、军军事预测测等76.1专家系统统概述3.诊断专家家系统(expert systemfordiagnosis)任务根据观察察到的情情况(数据)来推断出出某个对对象机能能失常(即故障)的原因特点能够了解

4、解被诊断断对象或或客体各各组成部部分的特特性以及及它们之之间的联联系能够区分分一种现现象及其其所掩盖盖的另一一种现象象能够向用用户提出出测量的的数据，并从不不确切信信息中得得出尽可可能正确确的诊断断例子有医疗诊诊断等86.1专家系统统概述4.设计专家家系统(expert systemfordesign)任务寻找出某某个能够够达到给给定目标标的动作作序列或或步骤特点从多种约约束中得得到符合合要求的的设计系统需要要检索较较大的可可能解空空间能试验性性地构造造出可能能设计，易于修修改能够使用用已有设设计来解解释当前前新的设设计例子VAX计算机结结构设计计专家系系统等96.1专家系统统概述5.规划专家

5、家系统(expert systemforplanning)任务寻找出某某个能够够达到给给定目标标的动作作序列或或步骤特点所要规划划的目标标可能是是动态的的或静态态的，需需要对未未来动作作做出预预测所涉及的的问题可可能很复复杂例子军事指挥挥调度系系统、ROPES机器人规规划专家家系统、汽车和和火车运运行调度度专家系系统等。106.1专家系统统概述6.监视专家家系统(expert systemformonitoring)任务对系统、对象或或过程的的行为进进行不断断观察，并把观观察到的的行为与与其应当当具有的的行为进进行比较较，以发发现异常常情况，发出警警报特点系统应具具有快速速反应能能力系统发出出

6、的警报报要有很很高的准准确性系统能够够动态地地处理其其输入信信息例子粘虫测报报专家系系统116.1专家系统统概述7.控制专家家系统(expert systemforcontrol)任务自适应地地管理一一个受控控对象或或客体的的全面行行为，使使之满足足预期要要求特点控制专家家系统具具有解释释、预报报、诊断断、规划划和执行行等多种种功能例子空中交通通管制、商业管管理、自自主机器器人控制制、作战战管理、生产过过程控制制和生产产质量控控制等126.1专家系统统概述8.调试专家家系统(expert systemfordebugging)任务对失灵的的对象给给出处理理意见和和方法特点同时具有有规划、设计、

7、预报和和诊断等等专家系系统的功功能例子在这方面面的实例例还比较较少见136.1专家系统统概述9.教学专家家系统(expert systemforinstruction)特点同时具有有诊断和和调试等等功能具有良好好的人机机界面例子MACSYMA符号积分分与定理理证明系系统，计计算机程程序设计计语言和和物理智智能计算算机辅助助教学系系统等146.1专家系统统概述10.修理专家家系统(expert systemforrepair)任务对发生故故障的对对象(系统或设设备)进行处理理，使其其恢复正正常工作作功能有诊断、调试、计划和和执行等等功能例子ACI电话和有有线电视视维护修修理系统统156.1专家系

8、统统概述6.1.3专家系统统的结构构和建造造步骤定义：指指专家系系统各组组成部分分的构造造方法和和组织形形式专家系统统结构图图166.1专家系统统概述知识库推理机专家知识输入或提问答案图6.1专家系统统结构简简图图6.2则为理想想专家系系统的结结构图17接口用户事实规则则计划议程中间解黑板知识库解释器执行器调度器协调器6.1专家系统统概述一般应用用程序与与专家系系统的区区别：18一般应用用程序专家系统统把问题求求解的知知识隐含含地编入入程序。把知识组组织为两两级：数据级和和程序级级。把其应用用领域的的问题求求解知识识单独组组成一个个实体,即为知识库。将知识组组织成三三级；数据、知知识库和和控制

9、。6.1专家系统统概述专家系统统的主要要组成部部分知识库（KnowledgeBase）综合数据据库（GlobalDatabase）推理机（ReasoningMachine）解释器（Explanator）人机接口口（Interface）1920专家系统统的建造造步骤知识化问题图6.3建立专家家系统的的步骤合法化概念化形式化规则化知识概念结构形式规则再设计改进重新阐述述6.1专家系统统概述建立系统统的一般般步骤如如下设计初始始知识库库问题知识识化知识概念念化概念形式式化形式规则则化规则合法法化原型机（prototype）的开发发与实验验知识库的的改进与与归纳216.1专家系统统概述6.2基于规则则

10、的专家家系统1.基于规则则的专家家系统的的工作模模型22知识库（规则）工作存储储器（事实）推理机图6.4基于规则则的工作作模型基于规则则的专家家系统采采用下列列模块来来建立产产生式系系统的模模型：知识库以一套规规则建立立人的长长期存储储器模型型工作存储储器建立人的的短期存存储器模模型，存存放问题题事实和和由规则则激发而而推断出出的新事事实推理机借助于把把存放在在工作存存储器内内的问题题事实和和存放在在知识库库内的规规则结合合起来，建立人人的推理理模型，以推断断出新的的信息236.2基于规则则的专家家系统2.基于规则则专家系系统的结结构246.2基于规则则的专家家系统解释器用户界面开发界面外部程

11、序工作存储器推理机知识库用户知识工程师图6.5基于规则则专家系系统的结结构6.3基于框架架的专家家系统1.面向目标标编程与与基于框框架设计计基于框架架的专家家系统建建立在框框架的基基础之上上基于框架架的专家家系统采采用面向向目标编编程技术术基于框架架的设计计和面向向目标的的编程共共享许多多特征在设计基基于框架架系统时时，专家家系统的的设计者者们把目目标叫做做框架252.基于框架架专家系系统的一一般设计计方法基于框架架专家系系统的主主要设计计步骤与与基于规规则的专专家系统统相似。主要差差别在于于如何看看待和使使用知识识在设计基基于框架架的专家家系统时时，把整整个问题题和每件件事想像像为编织织起来

12、的的事物在辨识事事物之后后，寻找找把这些些事物组组织起来来的方法法对于任何何类型的的专家系系统，其其设计是是个高度度交互的的过程266.3基于框架架的专家家系统开发基于于框架的的专家系系统的主主要任务务定义问题题分析领域域定义类与与特征定义例子子及其框框架结构构确定模式式及其匹匹配规则则规定事物物的通信信方法设计系统统界面对系统进进行评价价对系统进进行扩展展，深化化和扩展展知识276.4基于模型型的专家家系统1.基于模型型专家系系统的提提出28关于人工工智能的的一个观观点(定性模型型化)综合各种种模型的的专家系系统比基基于逻辑辑心理模模型的系系统具有有更强的的功能，从而有有可能显显著改进进专家

13、系系统的设设计在诸多模模型中，人工神神经网络络模型的的应用最最为广泛泛2.基于神经经网络的的专家系系统神经网络络模型从从知识表表示、推推理机制制到控制制方式，与目前前专家系系统中的的基于逻逻辑的心心理模型型有本质质的区别别三种神经经网络模模型与专专家系统统集成模模式神经网络络支持专专家系统统专家系统统支持神神经网络络协同式的的神经网网络专家家系统296.4基于模型型的专家家系统神经网络络专家系系统的基基本结构构306.4基于模型型的专家家系统知识获取取学习示例网络结构学习算法解释器专家神经网络用户知识库推理机图6.7神经网络络专家系系统的基基本结构构31设有如下下推理规规则r1:IFE1THE

14、N(2, 0.00001)H1r2:IFE2THEN(100,0.0001)H1r3:IFE3THEN(200,0.001)H2r4:IFH1THEN(50,0.1)H2且已知P(E1)=P(E2)= P(H3)=0.6,P(H1)=0.091,P(H2)=0.01,又由用户户告知：P(E1|S1)=0.84,P(E2|S2)=0.68,P(E3|S3)=0.36请用主观观Bayes方法求P(H2|S1,S2,S3)=?习题解答答32解：(1)由r1计算O(H1|S1)先把H1的先验概概率更新新为在E1下的后验验概率P(H1|E1)P (H1|E1)= (LS1P (H1) /(LS1-1)P

15、 (H1)+1)=(20.091)/(2-1) 0.091+1)=0.16682由于P(E1|S1)=0.84 P(E1)，使用P(H|S)公式的后后半部分分，得到到在当前前观察S1下的后验验概率P(H1|S1)和后验几几率O(H1|S1)P(H1|S1)= P(H1) +(P(H1|E1)P(H1)/(1- P(E1)(P(E1|S1) P(E1)= 0.091 +(0.166820.091)/ (1 0.6)(0.84 0.6)=0.091+0.18955 0.24= 0.136492O(H1|S1)= P(H1| S1)/ (1 -P(H1|S1)= 0.1580733(2)由r2计算O

16、(H1| S2)先把H1的先验概概率更新新为在E2下的后验验概率P(H1| E2)P(H1|E2)=(LS2 P(H1)/ (LS2-1)P(H1)+1)=(100 0.091)/ (100 -1) 0.091 +1)=0.90918由于P(E2|S2)=0.68 P(E2)，使用P(H|S)公式的后后半部分分，得到到在当前前观察S2下的后验验概率P(H1| S2)和后验几几率O(H1| S2)P(H1|S2)= P(H1) +(P(H1| E2) P(H1)/ (1 -P(E2)(P(E2| S2) P(E2)= 0.091 +(0.909180.091)/ (1 0.6)(0.68 0.6

17、)=0.25464O(H1|S2)= P(H1| S2) /(1-P(H1| S2)=0.3416334(3)计算O(H1|S1,S2)和P(H1|S1,S2)先将H1的先验概概率转换换为先验验几率O(H1) =P(H1) /(1-P(H1)= 0.091/(1-0.091)=0.10011再根据合合成公式式计算H1的后验几几率O(H1| S1,S2)=(O(H1| S1) /O(H1) (O(H1| S2) /O(H1) O(H1)= (0.15807 /0.10011)(0.34163)/0.10011) 0.10011= 0.53942再将该后后验几率率转换为为后验概概率P (H1| S

18、1, S2)= O(H1| S1,S2) /(1+ O(H1| S1,S2)= 0.3504035(4)由r3计算O(H2| S3)先把H2的先验概概率更新新为在E3下的后验验概率P(H2| E3)P(H2| E3)=(LS3 P(H2)/ (LS3-1)P(H2)+1)=(200 0.01) /(200-1) 0.01+1)=0.09569由于P(E3|S3)=0.36P(H1)，使用P(H|S)公式的后后半部分分，得到到在当前前观察S1,S2下H2的后验概概率P(H2| S1,S2)和后验几几率O(H2| S1,S2)P(H2| S1,S2) =P(H2) +(P(H2| H1) P(H2)/ (1 -P(H1)(P(H1| S1,S2) P(H1)= 0.01+(0.335570.01)/(1 0.091)(0.35040 0.091)=0.10291O(H2| S1,S2) =P(H2| S1, S2) /(1-P(H2| S1, S2)=0.10291/(1-0.10291)= 0.1147237(6)计算O(H2| S1,S2,S3)和P(H2| S1,S2,S3)先将H2的先验概概率转换换为先验验几率O(H2) =P(H2) /(1-P(H2) )= 0.01/(1-0.01)=0.01