第六章专家系统

第6章专家系统6.1专家系统概述6.5新型专家系统6.2基于规则的专家系统6.6专家系统设计6.3基于框架的专家系统6.7专家系统开发工具6.4基于模型的专家系统6.8小结中南大学智能系统与智能软件研究所6.1专家系统概述专家系统(expertsystem)是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一定义：是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验智能计算机程序系统，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题

26.1专家系统概述专家系统应用于某一专门领域，拥有该领域相当数量的专家级知识，能够模拟专家的思维，能够达到专家级水平，能像专家一样解决困难和复杂的实际问题的计算机软件系统。3专家系统的先行者费根鲍姆曾把专家系统定义为一个应用知识和推理过程来求解那些需要大量的人类专家解决难题经验的智能计算机程序。专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题，4专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。专家系统为一模拟人类专家解决领域问题的计算机程序。专家系统的基本功能取决于它所含有的知识，因此，有时也把专家系统称为基于知识的系统。5

6.1专家系统概述6.1.1专家系统特点专家系统具有一些共同的特点和优点专家系统具有下列3个特点：

启发性透明性灵活性专家系统的优点存在八个方面

6启发性—专家系统要解决的问题，其结构往往是不合理的，其问题求解知识不仅包括理论知识和常识，而且包括专家本人的启发知识。7透明性专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。灵活性专家系统的灵活性是指它的扩展和丰富知识库的能力，以及改善非编程状态下的系统性能，即自学习能力。86.1.2专家系统的优点专家系统能够高效率、准确、迅速和不知疲倦的进行工作。专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏和忘记。可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。专家系统能够促进各领域的发展，使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力的传播专家的知识、经验和能力。9专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一。专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。专家系统对人工智能各个领域的发展起了很大的促进作用，并将对科技、经济、国防、教育、社会和人民生活产生极其深远的影响。106.1.2专家系统的类型

(按用途分类)解释专家系统预测专家系统诊断专家系统设计专家系统规划专家系统6.1专家系统概述监视专家系统控制专家系统调试专家系统教学专家系统修理专家系统111.解释专家系统

(expertsystemforinterpretation)任务通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。特点数据量很大，常不准确、有错误、不完全能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设推理过程可能很复杂和很长例子语音理解、图像分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等6.1专家系统概述122.预测专家系统

(expertsystemforprediction)任务通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况特点系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全系统需要有适应时间变化的动态模型例子有气象预报、军事预测等6.1专家系统概述133.诊断专家系统

(expertsystemfordiagnosis)任务根据观察到的情况(数据)来推断出某个对象机能失常(即故障)的原因特点能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断例子有医疗诊断等6.1专家系统概述144.设计专家系统

(expertsystemfordesign)任务根据设计要求，求出满足设计问题约束的目标配置。特点从多种约束中得到符合要求的设计结果系统需要检索较大的可能解空间能试验性地构造出可能设计，易于修改能够使用已有设计来解释当前新的设计例子VAX计算机结构设计专家系统等6.1专家系统概述155.规划专家系统

(expertsystemforplanning)任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤特点所要规划的目标可能是动态的或静态的，需要对未来动作做出预测所涉及的问题可能很复杂例子军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。6.1专家系统概述166.监视专家系统

(expertsystemformonitoring)任务对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报特点系统应具有快速反应能力系统发出的警报要有很高的准确性系统能够动态地处理其输入信息例子粘虫测报专家系统6.1专家系统概述177.控制专家系统

(expertsystemforcontrol)任务自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求特点控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能例子空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和生产质量控制等6.1专家系统概述188.调试专家系统

(expertsystemfordebugging)

任务对失灵的对象给出处理意见和方法特点同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能例子在这方面的实例还比较少见6.1专家系统概述199.教学专家系统任务根据学生的特点、弱点和基础知识，以最教案和教学方法对学生进行教学和辅导特点同时具有诊断和调试等功能具有良好的人机界面例子MACSYMA符号积分与定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统等6.1专家系统概述2010.修理专家系统

(expertsystemforrepair)

任务对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作功能有诊断、调试、计划和执行等功能例子ACI电话和有线电视维护修理系统6.1专家系统概述216.1.2专家系统的类型按照输出结果分类按照知识表示分类按照技术分类按照规模分类按照结构分类22专家系统与知识系统专家系统与知识工程专家系统与人工智能由于专家系统的能力主要源于它所拥有的知识，所以，专家系统常常称为基于知识的系统，有时也称为知识系统，建造专家系统的技术称为知识工程。236.1.3专家系统的结构和建造步骤定义：指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式专家系统结构图6.1专家系统概述知识库推理机专家知识输入或提问答案图6.1专家系统结构简图24图6.2则为理想专家系统的结构图接口用户事实规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专家系统概述25一般应用程序与专家系统的区别：一般应用程序

专家系统把问题求解的知识隐含地编入程序。把知识组织为两级：数据级和程序级。把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体。即为知识库。将知识组织成三级；数据、知识库和控制。6.1专家系统概述26知识化问题图6.3建立专家系统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2.专家系统的建造步骤6.1专家系统概述27建立系统的一般步骤如下(1)设计初始知识库问题知识化知识概念化概念形式化形式规则化规则合法化(2)原型机（prototype）的开发与实验(3)知识库的改进与归纳

规则6.1专家系统概述286.2基于规则的专家系统知识库（规则）工作存储器（事实）推理机1.基于规则的专家系统的工作模型图6.4基于规则的工作模型29基于规则的专家系统采用下列

模块来建立产生式系统的模型：知识库以一套规则建立人的长期存储器模型工作存储器建立人的短期存储器模型，存放问题事实和由规则激发而推断出的新事实推理机借助于把存放在工作存储器内的问题事实和存放在知识库内的规则结合起来，建立人的推理模型，以推断出新的信息6.2基于规则的专家系统302.基于规则专家系统的结构6.2基于规则的专家系统解释器用户界面开发界面外部程序工作存储器推理机知识库用户知识工程师图6.5基于规则专家系统的结构31基于规则的专家系统的优缺点优点缺点326.3基于框架的专家系统1.面向目标编程与基于框架设计基于框架的专家系统建立在框架的基础之上基于框架的专家系统采用面向目标编程技术基于框架的设计和面向目标的编程共享许多特征在设计基于框架系统时，专家系统的设计者们把目标叫做框架33特征名称值侧面规则目标议程表人类男人女人约翰李勇丽达王红类（class）槽(Slots)子类（subclass)例子(instances)规则(rules)目标议程表

(goalagenda)2.基于框架专家系统的结构6.3基于框架的专家系统图6.6人类的框架分层结构343.基于框架专家系统的一般设计方法基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规则的专家系统相似。主要差别在于如何看待和使用知识在设计基于框架的专家系统时，把整个问题和每件事想像为编织起来的事物在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的方法对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程6.3基于框架的专家系统353.基于框架专家系统的一般设计方法开发基于框架的专家系统的主要任务是：(1)、定义问题，包括对问题和结论的考察和综述。(2)、分析领域，包括定义事物、事物特征、事件和框架结构。(3)、定义类及其特征。(4)、定义例及其框架结构。(5)、确认模式匹配规则。(6)、规定事物通信方法。(7)、设计系统界面。(8)、对系统进行评价。(9)、对系统进行扩展，深化和扩宽知识。363、基于框架的专家系统的继承、槽和方法1、基于框架的专家系统的继承后辈框架通过继承其父辈框架的所有特征，包括父辈的所有描述性和过程性知识。(1)、异常处理(2)、多重继承372、基于框架专家系统的槽槽是提供对属性值和系统操作的附加控制。槽扩展有关给定系统属性的信息：类型：定义和属性相关值的类型默认：定义默认值文档：提供属性文档约束：定义允许值最小界限：建立属性下限最大界限：建立属性上限如果需要：指定如果需要属性值时采取的行为如果改变：指定如果属性值改变时采取的行为38对象的名称：温度类：属性：槽：属性：槽：温度传感器读取未知最小界限1类型数字类型如果需要如果改变数据获取改变显示对象位置1号泵最小界限最大界限约束如果需要111号泵、2号泵，3号泵位置图像方法方法方法393、基于框架专家系统的方法定义6.4方法：附加到对象中需要执行的过程。406.4基于模型的专家系统1.基于模型专家系统的提出关于人工智能的一个观点综合各种模型的专家系统比基于逻辑心理模型的系统具有更强的功能，从而有可能显著改进专家系统的设计在诸多模型中，人工神经网络模型的应用最为广泛412.基于神经网络的专家系统神经网络模型从知识表示、推理机制到控制方式，与目前专家系统中的基于逻辑的心理模型有本质的区别三种神经网络模型与专家系统集成模式神经网络支持专家系统专家系统支持神经网络协同式的神经网络专家系统6.4基于模型的专家系统42神经网络专家系统的基本结构6.4基于模型的专家系统知识获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神经网络专家系统的基本结构43神经网络专家系统的几个问题讨论神经网络的知识表示是一种隐式表示神经网络通过实例学习实现知识自动获取神经网络的推理是个正向非线性数值计算过程，同时也是一种并行推理机制同一知识领域的几个独立的专家系统可组合成更大的神经网络专家系统6.4基于模型的专家系统446.5新型专家系统6.5.1新型专家系统的特征并行与分布处理多专家系统协同工作高级语言和知识语言描述具有自学习功能引入新的推理机制具有自纠错和自完善能力

先进的智能人机接口456.5.2分布式专家系统主要目的：把一个专家系统的功能经分解以后分布到多个处理器上去并行地工作，从而在总体上提高系统的处理效率。可以工作在紧耦合的多处理器系统环境中，也可工作在松耦合的计算机网络环境里，所以其总体结构在很大程度上依赖于其所在的硬件环境。6.5新型专家系统46设计和实现分布式专家系统，需要解决的问题：功能分布

把分解得到的系统各部分功能或任务合理均衡地分配到各处理节点上去知识分布

根据功能分布的情况把有关知识经合理划分以后分配到各处理节点上。接口设计各部分间接口的设计目的是要达到各部分之间互相通讯和同步容易进行系统结构一方面依赖于应用的环境与性质，另一方面依赖于其所处的硬件环境驱动方式可供选择的几种驱动方式(1)控制驱动(2)数据驱动(3)需求驱动(4)事件驱动6.5新型专家系统476.5.3协同式专家系统一般专家系统解题的领域面很窄协同式多专家系统是克服一般专家系统的局限性的一个重要途径。协同式多专家系统亦可称“群专家系统”6.5新型专家系统486.6专家系统设计与实现系统总体分析与设计知识获取知识表示与知识描述语言设计知识库设计知识库管理系统设计推理机设计解释模块设计总控与界面设计其它功能模块设计编程与调试测试与评价运行与维护496.6.2知识获取知识获取有三大途径(1)人工获取(2)半自动获取(3)自动获取506.6.2知识获取(1)、人工获取知识工程师和领域专家合作，对有关领域知识和专家知识进行挖掘、搜集、分析、综合、整理、归纳，然后以某种表示形式存入知识库。516.6.2知识获取(2)、半自动获取即利用某种专门的知识获取系统，采取提取、指导或问答的方式，帮助专家提起、归纳有关知识、并自动记入知识库526.6.2知识获取(3)、自动获取一种是系统本身具有的一种机制，使得系统在运行过程中不断总结经验，并修改和扩充自己的知识库；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，并填充知识库536.6.3知识表示与知识描述语言设计知识表示与知识描述语言设计是指根据所获得知识的特点，选择或设计某种知识表示形式，并为这种表示形式设计相应的知识描述语言。546.6.4知识库与知识库管理系统设计知识库设计设计知识库的结构，即知识的组织形式。专家系统中涉及的知识库，一般取层次结构和网状结构模式。这种结构模式把知识按某种原则进行分类，然后分块分层组织存放，如按照元知识、领域知识、专家知识分层组织，而每一块和每一层可以再分块分层。医疗诊断知识库消化系统知识库呼吸系统知识库肝病知识库胃病知识库55知识库管理系统设计(1)知识操作功能设计包括知识的添加、删除、修改、查询和统计等。(2)知识检查功能设计包括知识的一致性、完整性、冗余性等。56知识库操作设计包括知识库（文件）的建立、删除、合并等576.6.5推理机与解释功能设计(1)从哪里着手(2)还应考虑什么(3)算法设计与程序设计(4)解释机制如何实现58(1)从哪里着手推理机的推理是基于知识库中的知识进行的。所以，推理机就必须与知识库及其知识相适应、相配套。6.6.5推理机与解释功能设计596.6.5推理机与解释功能设计(2)还应考虑什么对推理机本身而言，还要考虑推理的