第9章专家系统.ppt

1、9.1专家系统的概念,9.2专家系统的结构,9.3专家系统的应用和发展概况,9.4专家系统的设计与实现,第9章专家系统,9.5专家系统开发工具与环境,9.6新一代专家系统研究,9.1专家系统的概念,9.1.1什么是专家系统,专家系统(ExpertSystem)也称为专家咨询系统，它是一种智能计算机(软件)系统。顾名思义，专家系统就是能像人类专家一样解决困难、复杂的实际问题的的计算机(软件)系统。准确一点讲，专家系统应该就是：应用于某一专门领域，拥有该领域相当数量的专家级知识，能模拟专家的思维，能达到专家级水平，能像专家一样解决困难和复杂的问题的计算机(软件)系统。,9.1专家系统的概念,9.1

2、.2专家系统的特点,专家系统具有下列特点：(1)从处理问题的性质来看，专家系统善于解决那些不确定性的、非结构化的、没有算法或虽有算法解但在现有的机器上无法实施的困难问题。(2)从处理问题的方法来看，专家系统则是靠知识和推理来解决问题，所以，专家系统是基于智能问题来求解。(3)从系统的结构来看，专家系统则强调知识与推理的分离，因而系统具有很好的灵活性和可扩充性。(4)专家系统一般还具有解释功能。(5)有些专家系统还具有“自学习”能力。(6)专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘，易受环境、情绪等的影响，它可始终如一地以专家级的高水平求解问题。,9.1专家系统的概念,9.1.3专家系统的类型,1.按用途

3、分类按用途分类，专家系统可分为：诊断型、解释型、预测型、设计型、规划型、控制型、调度型等几种类型。2.按输出结果分类按输出结果分类，专家系统可分为分析型和设计型。3.按知识表示分类按知识表示分类，可分为基于产生式规则的专家系统、基于一阶谓词的专家系统、基于框架的专家系统、基于语义网络的专家系统等。4.按知识分类按专家系统分类，专家系统又可分为精确推理型和不精确推理型。5.按技术分类按采用的技术分类，专家系统可分为符号推理专家系统和神经网络专家系统。6.按规模分类按规模分类，可分为大型协同式专家系统和微专家系统。7.按结构分类可分为集中式和分布式，单机型和网络型。,9.1专家系统的概念,9.1.

4、4专家系统与知识系统,对于广义的知识系统论来说，专家系统就是一种特殊的知识系统。但现在，“专家系统”这一名词有时也泛指各种知识系统。也就是说，狭义地讲，专家系统就是人类专家智慧的复制，是人类专家的某种化身。广义地讲，专家系统也泛指那些具有“专家级”水平的知识系统，甚至各种知识系统。,9.1.5专家系统与知识工程,由于专家系统是基于知识的系统，那么，建造专家系统就涉及知识获取(KnowledgeAcquisition)-即从人类专家那里或从实际问题那里搜集、整理、归纳专家级知识，知识表示(KnowledgeRepresention)-即以某种结构形式表达所获取的知识，并将其存储于计算机之中。现在

5、关于知识处理的技术和方法已形成一个称为“知识工程”的学科领域。正是由于这二者的密切关系，所以，现在“专家系统”与“知识工程”几乎称为同义词。,9.1专家系统的概念,9.1.6专家系统与人工智能,专家系统是一种计算机应用系统。从科学的范畴来讲，专家系统属人工智能的一个分支，且是应用性最强、应用范围最广的一个分支。目前，专家系统已成为当前计算机应用的热门研究方向。,9.2专家系统的结构,9.2.1概念结构,从概念来讲，一个专家系统应具有如图9.1所示的一般结构模式。1.知识库(KnowledgeBase)所谓知识库，就是以某种表示形式存储于计算机中的知识的集合。2.推理机(InferenceEng

6、ine)所谓推理机，就是实现(机器)推理的程序。这里的推理是一个广义的概念，它既包括通常的逻辑推理，也包括基于产生式的操作。3.动态数据库动态数据库也称为全局数据库、综合数据库、工作存储器、黑板等，它是存放初始证据事实、推理结果和控制信息的场所。,9.2专家系统的结构,9.2.1概念结构,4.人机界面这里的人机界面指的是最终用户与专家系统的交互界面。5.解释模块解释程序模块专门负责向用户解释专家系统的行为和结果。6.知识库管理系统知识库管理系统是知识库的支撑软件。知识库管理系统主要在专家系统的开发阶段使用，所以，它的生命周期实际和相应的专家系统一样。对如图9.1所示的结构再添上自学习模块，就称

7、为更理想的一种专家系统结构。,9.2专家系统的结构,9.2.2实际结构,上面介绍的专家系统结构，是专家系统的概念模型，或者说是只强调知识和推理这一只要特征的专家系统结构。在实际问题中往往不仅需要推理，而且还要做一些其它处理。例如，图9.3所示的实际结构可以看出，专家系统只作为整个系统的一个模块嵌套在一个实际的应用系统中。,9.2专家系统的结构,9.2.3分布式结构,在网络环境下，专家系统也可以设计成分布式结构，如“客户机/服务器”结构(如图9.5(a)所示)，或者浏览器/服务器结构(如图9.5(b)所示)。我们称后一种结构的专家系统为网上专家系统。,9.2专家系统的结构,9.2.4黑板模型,1

8、.黑板所谓“黑板”，就是一个分层的全局工作区(或称全局数据库)。它用来存储初始数据、中间结果集和族中结果。2.知识源所谓知识源，就是一个知识模块。黑板结构中也有多个知识源，每个知识源能用来完成某些特定的解题功能。3.控制机构控制机构是求解问题的推理结构，由监督程序和调度程序组成。,9.3专家系统的应用与发展状况,9.3.1专家系统的意义,专家系统是一种智能计算机系统，所以，专家系统将计算机的应用提高到了一个新的高度和水平。专家系统的建立，一方面，实现了人类专家的“分身”和“延年”。另一方面，建造专家系统可以可以使专家本人得到提高和发展。,9.3.2专家系统的应用,由于专家系统是一种计算机应用系

9、统，所以，其应用范围没有什么限制。如它可以代替高级医生看、开处方，可以协助地质专家估计矿藏量等等。从应用领域来看，在诸如农业咨询、工业控制、地质勘探、天气预报、数据解释、医疗诊断、法律咨询、系统仿真、企业管理、军事指挥等领域都可以使用专家系统。,9.4专家系统的设计与实现,9.4.1一般步骤与方法,由于专家系统也是一种计算机应用系统，所以，一般来说，其开发过程也要遵循软件工程的步骤和原则，即也要进行系统分析、系统设计等几个阶段的工作。1.系统总体设计2.知识获取3.知识表示与知识描述语言设计4.知识库设计、推理机制设计、总控与界面设计5.编程与调试6.运行与维护,9.4专家系统的设计与实现,9

10、.4.2快速原型与增量式开发,所谓快速原型与增量式开发，就是在开发一个大型软件系统之前，先尽快地建立一个简单的小型的系统“模型”-称为系统原型；然后，对原型进行扩充，即在原型的基础上进行继续开发，即增量式开发。,9.4专家系统的设计与实现,9.4.3知识获取,知识获取大体有以下三种途径。1.人工获取即计算机人员与领域专家合作，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，然后以某种形式存入知识库。2.半自动获取即利用某种专门的知识获取系统，采取提示、指导或问答的方式。3.自动获取自动获取又可分为两种形式：一种是系统本身具有一种机制，使得系统在运行过程中能不断地总结经验，并修

11、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。,9.4.4知识表示与知识描述语言设计,知识表示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，所谓知识描述语言，就是知识的具体语法形式。,9.4专家系统的设计与实现,9.4.5知识库与知识库管理系统设计,知识库是专家系统的核心。知识库的质量直接关系到整个系统的性能和效率。因此，知识库涉及知识的组织和管理。1.知识库设计知识库设计主要是设计知识库的结构，即知识的组织形式。专家系统中所涉及的知识库，一般取层次结构或网状结构模式。2.知识库管理系统设计知

12、识库管理系统应包括知识一级和知识库一级的各种管理功能。1)知识操作功能设计知识操作功能包括知识的添加、删除、修改和查询等。2)知识检查功能设计知识检查包括知识的一致性、完整性、冗余性等检查。所谓知识的一致性，就是知识库中的知识必须是相容的，即无矛盾。所谓知识的完整性，是指知识中的约束条件，称为完整性约束。所谓冗余性，就是重复、多余等。3)知识库操作设计知识库操作包括知识库的建立、删除、分解、合并等。,9.4专家系统的设计与实现,9.4.6推理机与解释功能设计,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。2.还应考虑些什么对推理机本身而

13、言，还要考虑推理的方式、方法和控制策略等。3.算法设计与程序设计对于一个基于规则的系统来说，前面产生式系统所采用的算法，或者图搜索中所用的算法也就是这里的推理机所使用的算法。算法确定后，就可以进行程序设计了。4.解释机制如何实现从系统的结构上讲，一般是把解释作为一个独立的模块，但实际上解释功能也是与推理机密切相关的。因为要解释就必须对推理机进行实时跟踪。,9.4专家系统的设计与实现,9.4.7系统结构设计,系统构成技术被称为人工智能的三大技术之一。所以，一个专家系统来讲，其系统结构就显得非常重要。一般来讲，系统结构设计模式有诸如独立式(一个“纯”专家模块)、混合式、集中式、分布式、层次式以及“

14、黑板模型”等。,9.4.8人机界面设计,人机界面对于一个实用专家系统(特别是咨询型知识系统)来说至关重要。一个专家系统一般有两个人机界面：一个是面向系统开发和维护者的；一个是面向最终使用者的。,9.5专家系统开发工具与环境,9.5.1专家系统开发工具,迄今已有数以百计的各种各样的专家系统开发工具投入使用。它们大致可分为以下几类。1.面向AI的程序设计语言特别值得一提的是，今年来，面向对象程序设计异军突起。因而，现在面向对象程序设计语言也成为一种人工智能程序设计语言。2.知识表示语言这是针对知识工程发展起来的程序设计语言，因此也称为知识工程语言。3.外壳系统外壳系统也称为骨架(Frame)，这种

15、工具通常提供知识获取模块、推理机制、解释功能等，只要加上领域专门知识，即建立起知识库就可以构成一个专家系统。4.组合式构造工具这种工具使用户可以选择各种组成部件，非常方便地进行组合。5.专家系统工具RSTEST是一个通用专家系统开发工具，它的核心是专家系统设计语言ESL。,9.5专家系统开发工具与环境,9.5.2专家系统开发环境,随着专家系统技术的普及与发展，人们对开发工具的要求也越来越高。一个好的专家系统开发工具应向用户提供多方面的支持，包括从系统分析、知识获取、程序设计到系统调试与维护等全部服务。于是，专家系统开发环境应用而生。专家系统开发环境就是集成化了的专家系统开发工具包。提供的功能主

16、要有以下几种。1)多种知识表示。2)多种不精确推理模型。3)多种知识获取手段。4)多样的辅助工具。5)多样的友好用户界面6)广泛的适应性。,9.6新一代专家系统研究,9.6.1深层知识专家系统,即不仅具有专家经验性表层知识，而且具有深层次的专业知识。这样，系统的智能就更强了，也更接近于专家水平了。,9.6.2模糊专家系统,主要特点是通过模糊推理解决问题的专家系统。这种系统善于解决那些含有模糊性数据、信息或知识的复杂问题，但也可以通过把精确数据或信息模糊化，然后通过模糊推理进行处理的复杂问题。模糊专家系统在控制领域非常有用，它现已发展成为智能控制的一个分支领域。,9.6新一代专家系统研究,9.6.3神经网络专家系统,利用神经网络的自学习、自适应、分布存储、联想记忆、并行处理，以及鲁棒性和容错性强等一系列特点，用神经网络来实现专家系统的功能模块。神经网络专辑系统的一般结构如图9.10所示。,9.6新一代专家系统研究,9.6.4大型协同分