1、第6章 專家系統6.1 專家系統概述 6.5 新型專家系統6.2 基于規則的專家系統 6.6 專家系統設計6.3 基于框架的專家系統 6.7 專家系統開發工具6.4 基于模型的專家系統 6.8 小結6.1 專家系統概述專家系統(expert system)是人工智能應用研究最活躍和最廣泛的課題之一,是目前AI應用研究的主要領域之一。定義：是一個含有大量的某個領域專家水平的知識與經驗智能計算機程序系統，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領域問題；專家系統是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統。 2 6.1 專家系統概述6.1.1 專家系統特點專家系統具有一些共同的特點和優點專

2、家系統具有下列3個特點： 啟發性透明性靈活性專家系統的優點存在八個方面 36.1.2 專家系統的類型 解釋專家系統 預測專家系統診斷專家系統設計專家系統規劃專家系統6.1 專家系統概述監視專家系統控制專家系統調試專家系統教學專家系統修理專家系統41.解釋專家系統(expert system for interpretation)任務 通過對已知信息與數據的分析與解釋，確定它們的涵義；特點數據量很大，常不準確、有錯誤、不完全能從不完全的信息中得出解釋，并能對數據做出某些假設推理過程可能很復雜和很長例子 語音理解、圖象分析、系統監視、化學結構分析和信號解釋等6.1 專家系統概述52. 預測專家系統

3、(expert system for prediction)任務 通過對過去與現在已知狀況的分析，推斷未來可能發生的情況。特點系統處理的數據隨時間變化，且可能是不準確和不完全系統需要有適應時間變化的動態模型例子 有氣象預報、軍事預測等6.1 專家系統概述63. 診斷專家系統(expert system for diagnosis)任務 根據觀察到的情況(數據)來推斷出某個對象機能失常(即故障)的原因特點能夠了解被診斷對象或客體各組成部分的特性以及它們之間的聯系能夠區分一種現象及其所掩蓋的另一種現象能夠向用戶提出測量的數據，并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷 例子 有醫療診斷等 6.1 專家系

4、統概述74. 設計專家系統(expert system for design)任務 尋找出某個能夠達到給定目標的動作序列或步驟特點從多種約束中得到符合要求的設計系統需要檢索較大的可能解空間能試驗性地構造出可能設計，易于修改能夠使用已有設計來解釋當前新的設計例子 VAX計算機結構設計專家系統等6.1 專家系統概述85.規劃專家系統(expert system for planning)任務 尋找出某個能夠達到給定目標的動作序列或步驟特點所要規劃的目標可能是動態的或靜態的，需要對未來動作做出預測所涉及的問題可能很復雜 例子 軍事指揮調度系統、ROPES機器人規劃專家系統、汽車和火車運行調度專家系統

5、等。6.1 專家系統概述96.監視專家系統(expert system for monitoring) 任務 對系統、對象或過程的行為進行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應當具有的行為進行比較，以發現異常情況，發出警報特點系統應具有快速反應能力系統發出的警報要有很高的準確性系統能夠動態地處理其輸入信息例子 粘蟲測報專家系統6.1 專家系統概述107. 控制專家系統(expert system for control)任務 自適應地管理一個受控對象或客體的全面行為，使之滿足預期要求特點 控制專家系統具有解釋、預報、診斷、規劃和執行等多種功能例子 空中交通管制、商業管理、自主機器人控制、作戰管理、生

6、產過程控制和生產質量控制等6.1 專家系統概述118. 調試專家系統(expert system for debugging) 任務 對失靈的對象給出處理意見和方法特點 同時具有規劃、設計、預報和診斷等專家系統的功能例子 在這方面的實例還比較少見6.1 專家系統概述129. 教學專家系統(expert system for instruction) 特點同時具有診斷和調試等功能具有良好的人機界面例子 MACSYMA符號積分與定理證明系統，計算機程序設計語言和物理智能計算機輔助教學系統等6.1 專家系統概述1310. 修理專家系統(expert system for repair)任務 對發生故

7、障的對象(系統或設備)進行處理，使其恢復正常工作功能 有診斷、調試、計劃和執行等功能例子 ACI電話和有線電視維護修理系統6.1 專家系統概述146.1.3專家系統的結構和建造步驟定義：指專家系統各組成部分的構造方法和組織形式專家系統結構圖6.1 專家系統概述知識庫推理機專家知識輸入或提問答案圖6.1專家系統結構簡圖15圖6.2則為理想專家系統的結構圖接口用戶事實規則計劃議程中間解黑板知識庫解釋器執行器調度器協調器6.1 專家系統概述16一般應用程序與專家系統的區別：一般應用程序專家系統 把問題求解的知識隱含地編入程序。 把知識組織為兩級：數據級和程序級。 把其應用領域的問題求解知識單獨組成一

8、個實體。即為知識庫。 將知識組織成三級；數據、知識庫和控制。6.1 專家系統概述17專家系統的主要組成部分知識庫（Knowledge Base）綜合數據庫（Global Database）推理機（Reasoning Machine）解釋器（Explanator）人機接口（Interface）18知識化問題圖6.3建立專家系統的步驟合法化概念化形式化規則化知識概念結構形式規則再設計改進重新闡述2. 專家系統的建造步驟6.1 專家系統概述19建立系統的一般步驟如下設計初始知識庫問題知識化知識概念化概念形式化形式規則化規則合法化原型機（prototype）的開發與實驗知識庫的改進與歸納 規則6.1

9、專家系統概述206.2基于規則的專家系統知識庫（規則）工作存儲器（事實）推理機1.基于規則的專家系統的工作模型 圖6.4 基于規則的工作模型21基于規則的專家系統采用下列模塊來建立產生式系統的模型：知識庫 以一套規則建立人的長期存儲器模型工作存儲器 建立人的短期存儲器模型，存放問題事實和由規則激發而推斷出的新事實推理機 借助于把存放在工作存儲器內的問題事實和存放在知識庫內的規則結合起來，建立人的推理模型，以推斷出新的信息 6.2 基于規則的專家系統222.基于規則專家系統的結構6.2 基于規則的專家系統解釋器用戶界面開發界面外部程序工作存儲器推理機知識庫用戶知識工程師圖6.5 基于規則專家系統

10、的結構236.3 基于框架的專家系統1. 面向目標編程與基于框架設計基于框架的專家系統建立在框架的基礎之上基于框架的專家系統采用面向目標編程技術基于框架的設計和面向目標的編程共享許多特征在設計基于框架系統時，專家系統的設計者們把目標叫做框架24特征名稱值側面規則目標議程表人類男人女人約翰李勇麗達王紅類（class）槽(Slots)子類（subclass)例子(instances)規則(rules)目標議程表 (goal agenda)2. 基于框架專家系統的結構6.3 基于框架的專家系統圖6.6 人類的框架分層結構253. 基于框架專家系統的一般設計方法基于框架專家系統的主要設計步驟與基于規則

11、的專家系統相似。主要差別在于如何看待和使用知識在設計基于框架的專家系統時，把整個問題和每件事想像為編織起來的事物在辨識事物之后，尋找把這些事物組織起來的方法對于任何類型的專家系統，其設計是個高度交互的過程6.3 基于框架的專家系統26開發基于框架的專家系統的主要任務定義問題分析領域定義類與特征定義例子及其框架結構確定模式及其匹配規則規定事物的通信方法設計系統界面對系統進行評價對系統進行擴展，深化和擴展知識276.4 基于模型的專家系統1. 基于模型專家系統的提出關于人工智能的一個觀點(定性模型化)綜合各種模型的專家系統比基于邏輯心理模型的系統具有更強的功能，從而有可能顯著改進專家系統的設計在諸

12、多模型中，人工神經網絡模型的應用最為廣泛282. 基于神經網絡的專家系統神經網絡模型從知識表示、推理機制到控制方式，與目前專家系統中的基于邏輯的心理模型有本質的區別三種神經網絡模型與專家系統集成模式神經網絡支持專家系統專家系統支持神經網絡協同式的神經網絡專家系統6.4 基于模型的專家系統29神經網絡專家系統的基本結構6.4 基于模型的專家系統知識獲取學習示例網絡結構學習算法解釋器專家神經網絡用戶知識庫推理機圖6.7 神經網絡專家系統的基本結構30神經網絡專家系統的幾個問題討論神經網絡的知識表示是一種隱式表示神經網絡通過實例學習實現知識自動獲取神經網絡的推理是個正向非線性數值計算過程，同時也是一

13、種并行推理機制同一知識領域的幾個獨立的專家系統可組合成更大的神經網絡專家系統6.4 基于模型的專家系統316.5 新型專家系統6.5.1 新型專家系統的特征并行與分布處理多專家系統協同工作高級語言和知識語言描述具有自學習功能引入新的推理機制具有自糾錯和自完善能力 先進的智能人機接口326.5.2 分布式專家系統主要目的：把一個專家系統的功能經分解以后分布到多個處理器上去并行地工作，從而在總體上提高系統的處理效率。可以工作在緊耦合的多處理器系統環境中，也可工作在松耦合的計算機網絡環境里，所以其總體結構在很大程度上依賴于其所在的硬件環境。6.5 新型專家系統33設計和實現分布式專家系統，需要解決的

14、問題：功能分布 把分解得到的系統各部分功能或任務合理均衡地分配到各處理節點上去知識分布 根據功能分布的情況把有關知識經合理劃分以后分配到各處理節點上。接口設計 各部分間接口的設計目的是要達到各部分之間互相通訊和同步容易進行系統結構 一方面依賴于應用的環境與性質，另一方面依賴于其所處的硬件環境(樹型層次集中式，星型黑板式，獨立的總線或環行式)驅動方式 可供選擇的幾種驅動方式(1) 控制驅動(2) 數據驅動(3) 需求驅動(4) 事件驅動6.5 新型專家系統346.5.3 協同式專家系統一般專家系統解題的領域面很窄協同式多專家系統是克服一般專家系統的局限性的一個重要途徑。協同式多專家系統亦可稱“群

15、專家系統”6.5 新型專家系統35設計與建立一個協同式多專家系統，需要解決的問題：任務的分解 公共知識的導出 討論方式裁決問題 驅動方式6.5 新型專家系統366.6 專家系統設計分為以下兩部分介紹 以設計一個基于規則的維修咨詢系統為例，說明專家系統的設計過程。這一過程包括描述專家知識、應用知識和解釋決策等。專家知識的描述知識的使用和決策解釋376.6.1專家知識的描述結論的表示 結論規定了所涉及專門知識的范圍觀測的表示 觀測是得到結論所需要的觀察或量測結果推理規則的表示 產生式規則是決策規則最為常用的表示形式可根據觀測和假設之間的邏輯關系分成3類：(1) FF規則 (2) FH規則 (3) HH規則6.6 專家系統設計386.6.2 知識的使用和決策解釋結論的分級與選擇詢問問題的策略固定的順序根據具體情況作出某種選擇決策的解釋對系統設計者的解釋對系統使用者的解釋6.6 專家系統設計396.7 專家系統開發工具專家系統工具是一種更高級的計算機程序設計語言現有的專家系統工具，主要分為骨架型工具、語言型工具、構造輔助工具和支撐環境等4類401. 骨架型開發工具定義 只保留原系統獨立于問題領域知識的推理機部分形成的工具稱為骨架優點 使用方便，節省在開發系統的過程結構上的時間，提高開發效率，交互性好，提供很強的對結果進行解釋的功能問