1、6.1 概述6.2 基于(jy)規則的專家系統6.3 基于框架的專家系統6.4 基于模型的專家系統6.5 基于Web的專家系統Ch.6 Expert Systems第六章 專家系統(zhun ji x tn)6.6 新型專家系統6.7 專家系統設計6.8 專家系統開發工具6.9 小結共五十五頁Experts are people who are very familiar with solving specific types of problems. Expert system is an intelligent computer program that can perform speci

2、al and difficult task in some field at the level of human experts. Expert system has been one of most active and important application fields of AI.Expert systems are mostly domain specific.Expert system has a very wide field of applications.6.1 Introduction 專家系統(zhun ji x tn)概述 What is an Expert Sy

3、stem?2共五十五頁6.1 Introduction專家系統的先行者費根鮑姆（Feigenbaum）曾把專家系統定義為一個應用知識和推理過程來求解那些需要大量的人類專家解決難題經驗的智能計算機程序。專家系統主要指的是一個智能計算機程序系統，其內部含有大量的某個領域專家水平的知識與經驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的經驗方法來處理該領域的高水平難題。專家系統是一個具有大量的專門知識與經驗的程序系統，它應用人工智能技術和計算機技術，根據某領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家才能處理好的復雜問題。專家系統為一模擬人類專家解決領域問

4、題的計算機程序系統。專家系統的基本功能取決于它所含有的知識，因此(ync)，有時也把專家系統稱為基于知識的系統（knowledge-based system）。3共五十五頁6.1.1 Feature of Expert System (ES) 專家系統(zhun ji x tn)的特點Heuristic 啟發性專家(zhunji)系統要解決的問題，其結構往往是不合理的，其問題求解（problem-solving）知識不僅包括理論知識和常識，而且包括專家(zhunji)本人的啟發知識。 Use heuristic knowledge of expert to make inference, ju

5、dgment, decision and conclusion.4共五十五頁Transparency 透明性Expert system can interpret its own inference process and answer users queries, so that user can understand the inference process，enhance the believe to ES。問題求解過程中知識應用的合理性可由檢驗專家系統(zhun ji x tn)的解釋推理路徑來驗證。5共五十五頁Flexibility 靈活性Ability to extend and

6、 enrich the KB, and self-learning ability專家系統的靈活性是指它的擴展和豐富知識庫的能力，以及改善非編程狀態下的系統性能(xngnng)，即自學習能力。Reasoning Machine can select various relative knowledge from KB and construct problem solving sequences according to the particulars of the specific solved problems.6共五十五頁Advantages of ES 優點(yudin)Provide

7、s consistent answers for repetitive decisions, processes and tasks Holds and maintains significant levels of information Encourages organizations to clarify the logic of their decision-making Never forgets to ask a question, as a human might 7共五十五頁Advantages of ES 優點(yudin)專家系統能夠高效率、準確、周到、迅速和不知疲倦地進行

8、工作(gngzu)。專家系統解決實際問題時不受周圍環境的影響，也不可能遺漏和忘記。可以使專家的專長不受時間和空間的限制，以便推廣珍貴和稀缺的專家知識與經驗。專家系統能促進各領域的發展，使各領域專家的專業知識和經驗得到總結和精煉，能夠廣泛有力地傳播專家的知識、經驗和能力。8共五十五頁專家系統能匯集(huj)多領域專家的知識和經驗以及他們協作解決重大問題的能力，它擁有更淵博的知識、更豐富的經驗和更強的工作能力。軍事專家系統的水平是一個國家國防現代化的重要標志之一。專家系統的研制和應用，具有巨大的經濟效益和社會效益。研究專家系統能夠促進整個科學技術的發展。專家系統對人工智能各個領域的發展起了很大的促

9、進作用，并將對科技、經濟、國防、教育、社會和人民生活產生極其深遠的影響。9共五十五頁6.1.2 Structures & Building Step of ES 專家系統(zhun ji x tn)的結構和建造步驟定義：指專家系統各組成部分(z chn b fn)的構造方法和組織形式專家系統結構Fig 6.1 Simplified block diagram of expert systemExpertiseKnowledge BaseInputor QueryReasoning MachineAnswer10共五十五頁理想(lxing)專家系統的結構圖圖6.2 理想(lxing)專家系統的結

10、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11共五十五頁 Ideal Architecture of ESKnowledge BaseGlobal DatabaseReasoning MachineExplanatorInterface12共五十五頁 Building Expert System 專家系統的建造(jinzo)步驟1. Design of Initial Knowledge Base Problem identification Knowledge conceptualization Concept formulization Rule formulat

11、ion Rule validation13共五十五頁 Building Expert System 專家系統的建造(jinzo)步驟2. Development & test for prototype system3. Improvement & induction for the knowledge14共五十五頁Date AcquisitionIndentifi-cationConceptu-alizationFormali-zationRuleFormalizationValidationKnowledgeConceptsStructureRulesConclusionRepresent

12、ation RefinementsReformulationsFig.6.3 Steps for designing knowledge baseStages for Designing KB15共五十五頁知識化問題(wnt)圖6.3建立專家系統(zhun ji x tn)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 專家系統的建造步驟16共五十五頁 建立系統的一般步驟(bzhu)如下1.設計初始知識庫問題(wnt)知識化知識概念化概念形式化形式規則化規則合法化2.原型機（prototype）的開發與實驗3.知識庫的改進與歸納17共五十五頁6.2 Rule-based

13、Expert System 基于(jy)規則的專家系統6.2.1 基于規則專家系統的工作模型和結構知識庫（規則(guz)）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18共五十五頁基于規則的專家系統(zhun ji x tn)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(shsh)和由規則激發而推斷出的新事實(shsh)。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 。19共五十五頁2. 基于(jy)規則專

14、家系統的結構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(guz)專家系統的結構20共五十五頁6.2.2 Advantages of rule-based expert system 優點(yudin)自然表達控制與知識分離易于擴展智能成比例增長相關知識的使用從嚴格語法獲取解釋一致性檢查(jinch)啟發性知識的使用不確定知識的使用可以合用變量21共五十五頁6.2.2 Advantages of rule-based expert system 缺點(qudin)必需精確匹配(ppi)有不清楚的規則關系可能慢對一些問題不適用22共五十五頁6.3 Fram

15、e-based Expert System 基于框架的專家系統(zhun ji x tn) 6.3.1 基于框架專家系統的定義、結構 和設計方法定義6.1 基于框架的專家系統是一個計算機程序，該程序使用一組包含在知識庫內的框架對工作(gngzu)存儲器內的具體問題信息進行處理，通過推理機推斷出新的信息。23共五十五頁特征(tzhng)名稱(mngchng)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)1. 基于框架專家系統的結構圖6.6 人類的框架分層結構

16、24共五十五頁2. 基于框架專家系統(zhun ji x tn)的一般設計方法基于框架專家系統的主要設計(shj)步驟與基于規則的專家系統相似,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25共五十五頁開發基于(jy)框架專家系統的主要任務定義問題，包括對問題和結論考察與綜述分析領域，包括定義事物(shw)、事物(shw)特征、事件和框架結構定義類及其特征定義例及其框架結構確定模式匹配規則規定事物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

17、擴寬知識26共五十五頁 6.3.2 基于框架專家系統的繼承(jchng)、槽 和方法1.基于框架專家系統的繼承定義6.2(繼承) 后輩框架呈現其父輩(f bi)框架的特征的過程。異常處理多重繼承27共五十五頁 6.3.2 基于框架(kun ji)專家系統的繼承、槽 和方法2.基于框架專家系統的槽定義6.3（槽） 框架屬性有關的擴展知識(zh shi)。按照下面的方式，槽擴展有關給定系統屬性的信息：類型：定義和屬性相關的類型；默認：定義默認值；文檔：提供屬性文檔；約束：定義允許值；28共五十五頁 按照下面的方式，槽擴展有關給定系統屬性的信息：（續）最小界限：建立屬性的下限；最大界限：建立屬性的上

18、限(shngxin)；如果需要：指定如果需要屬性值時采取的行為；如果改變：指定如果屬性值改變時采取的行為。3.基于框架專家系統的方法定義6.3（方法）附加到對象中需要時執行的過程。29共五十五頁6.4 Model-based Expert System 基于模型(mxng)的專家系統6.4.1 基于模型專家系統(zhun ji x tn)的提出關于人工智能的一個觀點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多模型中，人工神經網絡模型的應用最為廣泛30共五十五頁6.4 Model-based Expert System 基于(jy)模型的專

19、家系統The contribution & limitation of Rule-based ESUse various qualitative models to AIAn expert system integrated with various models31共五十五頁Features of the model-based ESParallel and distributed processingParallel algorithms (software)Multiprocessors (hardware) distributedSynchronous communication am

20、ong componentsSynergetic work with multiple ESHigh-level descriptive language32共五十五頁Describe the function, performance and inference of ESDescribe domain knowledge for knowledge representationFeatures of the model-based ESSelf-learning function New inference techniques Advanced intellectual man-mach

21、ine interface33共五十五頁 6.4.2 基于(jy)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(lu j)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34共五十五頁神經網絡專家系統(zhun ji x tn)的基本結構知識(zh shi)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35共五十五頁神經網絡專家系統的幾個(j )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

22、的推理是個正向非線性數值計算過程，同時也是一種并行推理機制同一(tngy)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36共五十五頁6.5 Web-based ES 基于(jy)Web的專家系統6.5.1 基于Web專家系統(zhun ji x tn)的結構基于Web專家系統的簡單結構如圖6.10所示，主要分為3個層次：瀏覽器、應用邏輯層和數據庫層，這種結構符合3層網絡結構。用戶Web瀏覽器應用服務器Web推理機數據庫服務器數據庫知識庫圖6.10 基于Web專家系統的結構37共五十五頁1. 基于(jy)Web的飛機故障遠程診斷專家系統的結構知識庫維護系統診斷咨詢系統Interne

23、t診斷專家系統Web接口推理機解釋器知識庫（規則）知識庫（事實）（a） 遠程診斷專家系統(zhun ji x tn)的結構Web瀏覽器Web服務器ASP文件(使用ADO)ODBC驅動程序知識庫系統（b） Web用戶存取服務器專家系統的流程圖6.11基于 Web的飛機故障遠程診斷專家系統的結構38共五十五頁2. 基于Web的拖網(tuwng)絞機專家系統的結構 圖6.12基于 Web的拖網絞機專家系統(zhun ji x tn)的結構 客戶端客戶端Web服務器數據庫服務器全 局推理機全局數據庫全局知識庫Internet/Intranet局部數據庫局部推理機局部知識庫用戶界面接口設計用戶設計任務客

24、戶端知識庫維護系統界面接口客戶端專家知識工程師39共五十五頁6.5.2 基于Web專家系統(zhun ji x tn)的實例1. 基于(jy) Web的飛機故障遠程診斷專家系統診斷咨詢系統的實現 Web用戶存取遠程專家系統的具體實現過程如下。a用戶端借助瀏覽器頁面填寫飛機故障現象表單，指定URL，通過HTTP通信協議從Web服務器下載指定的ASP文件。b. Web服務器判斷ASP文件中是否含有腳本程序（JavaScript或VBScript），若有，則執行相應的程序（推理機）。對于那些不是腳本的部分則直接傳給瀏覽器。c. 若腳本程序使用了ADO對象，則Web服務器會根據ADO對象所設置的參數來

25、啟動對應的ODBC驅動程序，然后利用ADO對象訪問專家知識庫。d. 根據推理匹配結果，由腳本程序利用ASP所做的輸出對象生成Web頁面，從Web服務器傳遞給客戶端瀏覽器，從而實現飛機故障的遠程診斷。知識庫的管理與維護 40共五十五頁2. 基于 Web的拖網(tuwng)絞機專家系統 知識表示和知識庫 推理機 基于實例推理 基于規則(guz)的推理 實例檢索 回溯策略 Web數據庫訪問 41共五十五頁6.6 New Types of ES 新型(xnxng)專家系統6.6.1 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

26、(wnshn)能力先進的智能人機接口42共五十五頁6.6.2 分布式( distributed)專家系統(zhun ji x tn)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(bngxng)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。43共五十五頁設計和實現分布式專家系統，需要(xyo)解決的問題：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(gnj)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

27、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44共五十五頁6.6.3 協同式(synergetic )專家系統(zhun ji x tn)一般專家系統解題的領域(ln y)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“群專家系統”45共五十五頁設計與建立一個協同式多專家系統(zhun ji x tn)，需要解決的問題：任務的分解 公共知識(zh shi)的導出

28、 討論方式 驅動方式46共五十五頁6.7 專家系統(zhun ji x tn)設計分為(fn wi)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 47共五十五頁6.7.1 專家知識(zh shi)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(chnshng)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48共五十五頁6.7.2 知識的使用和決策(juc)解釋結論的分級與選擇詢問問題的策略固定的順序(shnx)根據具體情況作出