人工智能及其应用6

1、6.1 专家系统概述专家系统概述 6.5 新型专家系统新型专家系统 6.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统 6.6 专家系统设计专家系统设计 6.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统 6.7 专家系统开发工具专家系统开发工具 6.4 基于模型的专家系统基于模型的专家系统 6.8 小结小结 2 6.1 6.1 专家系统概述专家系统概述 w 专家系统专家系统(expert system)(expert system)是人工智能应用研究最活跃是人工智能应用研究最活跃 和最广泛的课题之一和最广泛的课题之一, ,是目前是目前AIAI应用研究的主要领域应用研究的主要领域 之一。之一。 w 定义：

2、是一个含有大量的某个领域专家水平的知识定义：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；专家系知识和解决问题的方法来处理该领域问题；专家系 统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序 系统。系统。 3 6.1 专家系统概述 6.1.1 6.1.1 专家系统特点专家系统特点 专家系统具有一些共同的特点和优点专家系统具有一些共同的特点和优点 专家系统具有下列专家系统具有下列3 3个特点：个特点： 启发性启发性 透明性透明性 灵活性

3、灵活性 专家系统的优点存在八个方面专家系统的优点存在八个方面 4 6.1.2 6.1.2 专家系统的类型专家系统的类型 解释专家系统解释专家系统 预测专家系统预测专家系统 诊断专家系统诊断专家系统 设计专家系统设计专家系统 规划专家系统规划专家系统 6.1 专家系统概述 监视专家系统监视专家系统 控制专家系统控制专家系统 调试专家系统调试专家系统 教学专家系统教学专家系统 修理专家系统修理专家系统 5 1. 1.解释专家系统解释专家系统 (expert system for interpretation)(expert system for interpretation) w 任务任务 通过对

4、已知信息与数据的分析与解释，通过对已知信息与数据的分析与解释， 确定它们的涵义；确定它们的涵义； w 特点特点 数据量很大，常不准确、有错误、不完全数据量很大，常不准确、有错误、不完全 能从不完全的信息中得出解释，并能对数能从不完全的信息中得出解释，并能对数 据做出某些假设据做出某些假设 推理过程可能很复杂和很长推理过程可能很复杂和很长 w 例子例子 语音理解、图象分析、系统监视、化学语音理解、图象分析、系统监视、化学 结构分析和信号解释等结构分析和信号解释等 6.1 6.1 专家系统概述专家系统概述 6 2. 2. 预测专家系统预测专家系统 (expert system for predic

5、tion)(expert system for prediction) w 任务任务 通过对过去与现在已知状况的分析，推通过对过去与现在已知状况的分析，推 断未来可能发生的情况。断未来可能发生的情况。 w 特点特点 系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和 不完全不完全 系统需要有适应时间变化的动态模型系统需要有适应时间变化的动态模型 w 例子例子 有气象预报、军事预测等有气象预报、军事预测等 6.1 专家系统概述 7 3. 3. 诊断专家系统诊断专家系统 (expert system for diagnosis)(expert system for

6、 diagnosis) w 任务任务 根据观察到的情况根据观察到的情况( (数据数据) )来推断出某个对象来推断出某个对象 机能失常机能失常( (即故障即故障) )的原因的原因 w 特点特点 能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性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中得出尽可能正确的诊断 w 例子例子 有医疗诊断等有医疗诊断等 6.1 专家系统概述 8 4. 4. 设计

7、专家系统设计专家系统 (expert system for design)(expert system for design) w 任务任务 寻找出某个能够达到给定目标的寻找出某个能够达到给定目标的 动作序列或步骤动作序列或步骤 w 特点特点 从多种约束中得到符合要求的设计从多种约束中得到符合要求的设计 系统需要检索较大的可能解空间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能够使用已有设计来解释当前新的设计 w 例子例子 VAXVAX计算机结构设计专家系统等计算机结构设计专家系统等 6.1 专家系统概述

8、 9 5.5.规划专家系统规划专家系统 (expert system for planning)(expert system for planning) w 任务任务 寻找出某个能够达到给定目标的动作寻找出某个能够达到给定目标的动作 序列或步骤序列或步骤 w 特点特点 所要规划的目标可能是动态的或静态的，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需要对未来动作做出预测 所涉及的问题可能很复杂所涉及的问题可能很复杂 w 例子例子 军事指挥调度系统、军事指挥调度系统、ROPESROPES机器人规划机器人规划 专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。专家系统、汽车和火车运行调度专家

9、系统等。 6.1 专家系统概述 10 6.6.监视专家系统监视专家系统 (expert system for monitoring) (expert system for monitoring) w 任务任务 对系统、对象或过程的行为进行不断观对系统、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，发出警报进行比较，以发现异常情况，发出警报 w 特点特点 系统应具有快速反应能力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系统能够动态地处理其输

10、入信息 w 例子例子 粘虫测报专家系统粘虫测报专家系统 6.1 6.1 专家系统概述专家系统概述 11 7. 7. 控制专家系统控制专家系统 (expert system for control)(expert system for control) w 任务任务 自适应地管理一个受控对象或客体的全自适应地管理一个受控对象或客体的全 面行为，使之满足预期要求面行为，使之满足预期要求 w 特点特点 控制专家系统具有解释、预报、诊断、控制专家系统具有解释、预报、诊断、 规划和执行等多种功能规划和执行等多种功能 w 例子例子 空中交通管制、商业管理、自主机器人空中交通管制、商业管理、自主机器人 控制

11、、作战管理、生产过程控制和生产质量控制、作战管理、生产过程控制和生产质量 控制等控制等 6.1 专家系统概述 12 8. 8. 调试专家系统调试专家系统 (expert system for debugging) (expert system for debugging) w 任务任务 对失灵的对象给出处理意见和方法对失灵的对象给出处理意见和方法 w 特点特点 同时具有规划、设计、预报和诊断等同时具有规划、设计、预报和诊断等 专家系统的功能专家系统的功能 w 例子例子 在这方面的实例还比较少见在这方面的实例还比较少见 6.1 专家系统概述 13 9. 9. 教学专家系统教学专家系统 (expe

12、rt system for instruction) (expert system for instruction) w 特点特点 同时具有诊断和调试等功能同时具有诊断和调试等功能 具有良好的人机界面具有良好的人机界面 w 例子例子 MACSYMAMACSYMA符号积分与定理证明系统，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计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助 教学系统等教学系统等 6.1 专家系统概述 14 10. 10. 修理专家系统修理专家系统 (expert system for repair)(expert system for repair) w 任务任务

13、 对发生故障的对象对发生故障的对象( (系统或设备系统或设备) )进行进行 处理，使其恢复正常工作处理，使其恢复正常工作 w 功能功能 有诊断、调试、计划和执行等功能有诊断、调试、计划和执行等功能 w 例子例子 ACIACI电话和有线电视维护修理系统电话和有线电视维护修理系统 6.1 专家系统概述 15 6.1.3专家系统的结构专家系统的结构 和建造步骤和建造步骤 w 定义：指专家系统各组成部分的构造方法和定义：指专家系统各组成部分的构造方法和 组织形式组织形式 w 专家系统结构图专家系统结构图 6.1 专家系统概述 知识库知识库 推理机推理机 专家知识专家知识 输入或提问输入或提问 答案答案

14、 图图6.16.1专家系统结构简图专家系统结构简图 16 图图6.26.2则为理想专家系统的结构图则为理想专家系统的结构图 接口接口用户用户 事实事实 规则规则 计划计划 议程议程 中间解中间解 黑板黑板 知识库知识库 解释器解释器 执行器执行器 调度器调度器 协调器协调器 6.1 专家系统概述 17 一般应用程序与专家系统的区别：一般应用程序与专家系统的区别： 一般应用程序一般应用程序专家系统专家系统 把问题求解的知识把问题求解的知识 隐含地编入程序。隐含地编入程序。 把知识组织为两级：把知识组织为两级： 数据级和程序级。数据级和程序级。 把其应用领域的问把其应用领域的问 题求解知识单独组成

15、题求解知识单独组成 一个实体。即为知识一个实体。即为知识 库。库。 将知识组织成三级；将知识组织成三级； 数据、知识库和控制。数据、知识库和控制。 6.1 专家系统概述 18 专家系统的主要组成部分专家系统的主要组成部分 w 知识库（知识库（Knowledge Base） w 综合数据库（综合数据库（Global Database） w 推理机（推理机（Reasoning Machine） w 解释器（解释器（Explanator） w 人机接口（人机接口（Interface） 19 知识化知识化 问题问题 图图6.36.3建立专家系统的步骤建立专家系统的步骤 合法化合法化概念化概念化形式化形

16、式化规则化规则化 知识知识概念概念 结构结构 形式形式 规则规则 再设计再设计 改进改进 重新阐述重新阐述 2. 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤 6.1 专家系统概述 20 建立系统的一般步骤如下建立系统的一般步骤如下 w 设计初始知识库设计初始知识库 问题知识化问题知识化 知识概念化知识概念化 概念形式化概念形式化 形式规则化形式规则化 规则合法化规则合法化 w 原型机（原型机（prototype）的开发与实验）的开发与实验 w 知识库的改进与归纳知识库的改进与归纳 6.1 6.1 专家系统概述专家系统概述 21 6.2基于规则的专家系统基于规则的专家系统 知识库知识库 （规则）（规则

17、） 工作存储器工作存储器 （事实）（事实） 推理机推理机 1. 1.基于规则的专家系统的工作模型基于规则的专家系统的工作模型 图图6.4 6.4 基于规则的工作模型基于规则的工作模型 22 基于规则的专家系统采用下列模块来建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立产生式系统的模型： w 知识库知识库 以一套规则建立人的长期存储器模型以一套规则建立人的长期存储器模型 w 工作存储器工作存储器 建立人的短期存储器模型，存放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问题事实和由规则激发而推断出的新事实 w 推理机推理机 借助于把存放在工作存储器内的问题借助于把

18、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 23 2.2.基于规则专家系统的结构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 24 6.3 6.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统 w 1. 面向目标编程与基于框架设计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建立在框架的基础之上

19、基于框架的专家系统采用面向目标编程技术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基于框架的设计和面向目标的编程共享许多 特征特征 在设计基于框架系统时，专家系统的设计者在设计基于框架系统时，专家系统的设计者 们把目标叫做框架们把目标叫做框架 25 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 w 类（class） w 槽(Slots) w 子类（subclass) w 例子(instances) w 规则(rules) w 目标议程表 (goal agenda) 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.

20、6 人类的框架分层结构 26 3. 3. 基于框架专家系统的一般设计基于框架专家系统的一般设计 方法方法 w 基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规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则的专家系统相似。主要差别在于如何看待 和使用知识和使用知识 w 在设计基于框架的专家系统时，把整个问题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和每件事想像为编织起来的事物 w 在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来 的方法的方法 w 对于任何类型的专家系统，其设计是个高度对于任何类型的专家系统，其设计是个

21、高度 交互的过程交互的过程 6.3 6.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统 27 开发基于框架的专家系统的主要任务开发基于框架的专家系统的主要任务 w 定义问题定义问题 w 分析领域分析领域 w 定义类与特征定义类与特征 w 定义例子及其框架结构定义例子及其框架结构 w 确定模式及其匹配规则确定模式及其匹配规则 w 规定事物的通信方法规定事物的通信方法 w 设计系统界面设计系统界面 w 对系统进行评价对系统进行评价 w 对系统进行扩展，深化和扩展知识对系统进行扩展，深化和扩展知识 28 6.4 6.4 基于模型的专家系统基于模型的专家系统 1. 1. 基于模型专家系统的提出基于模型专家系

22、统的提出 v关于人工智能的一个观点关于人工智能的一个观点( (定性模型化定性模型化) ) v综合各种模型的专家系统比基于逻辑心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可能显著改进专家系统的设计 v在诸多模型中，人工神经网络模型的应在诸多模型中，人工神经网络模型的应 用最为广泛用最为广泛 29 2. 2. 基于神经网络的专家系统基于神经网络的专家系统 w 神经网络模型从知识表示、推理机制到控制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方式，与目前专家系统中的基于逻辑的心

23、理 模型有本质的区别模型有本质的区别 w 三种神经网络模型与专家系统集成模式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神经网络支持专家系统 专家系统支持神经网络专家系统支持神经网络 协同式的神经网络专家系统协同式的神经网络专家系统 6.4 6.4 基于模型的专家系统基于模型的专家系统 30 神经网络专家系统的基本结构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 31 神经网络专家系统的几个问题讨神经网络专家系统的几个问题讨 论论 w 神经网络的知

24、识表示是一种隐式表示神经网络的知识表示是一种隐式表示 w 神经网络通过实例学习实现知识自动获神经网络通过实例学习实现知识自动获 取取 w 神经网络的推理是个正向非线性数值计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算过程，同时也是一种并行推理机制 w 同一知识领域的几个独立的专家系统可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组合成更大的神经网络专家系统 6.4 6.4 基于模型的专家系统基于模型的专家系统 32 6.5 6.5 新型专家系统新型专家系统 6.5.1 6.5.1 新型专家系统的特征新型专家系统的特征 w 并行与分布处理 w 多专家

25、系统协同工作 w 高级语言和知识语言描述 w 具有自学习功能 w 引入新的推理机制 w 具有自纠错和自完善能力 w 先进的智能人机接口 33 6.5.2 6.5.2 分布式专家系统分布式专家系统 w 主要目的：主要目的：把一个专家系统的功能经分解以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。在总体上提高系统的处理效率。 w 可以工作在紧耦合的多处理器系统环境中，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

26、赖于其所在的以其总体结构在很大程度上依赖于其所在的 硬件环境。硬件环境。 6.5 新型专家系统 34 设计和实现分布式专家系统，需要解设计和实现分布式专家系统，需要解 决的问题：决的问题： w 功能分布功能分布 把分解得到的系统各部分功能或任务合理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均衡地分配到各处理节点上去 w 知识分布知识分布 根据功能分布的情况把有关知识经合理划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。分以后分配到各处理节点上。 w 接口设计接口设计 各部分间接口的设计目的是要达到各部分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

27、同步容易进行之间互相通讯和同步容易进行 w 系统结构系统结构 一方面依赖于应用的环境与性质，另一方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面依赖于其所处的硬件环境( (树型层次集中式，星型树型层次集中式，星型 黑板式，独立的总线或环行式黑板式，独立的总线或环行式) ) w 驱动方式驱动方式 可供选择的几种驱动方式可供选择的几种驱动方式(1) (1) 控制驱动控制驱动(2) (2) 数据驱动数据驱动(3) (3) 需求驱动需求驱动(4) (4) 事件驱动事件驱动 6.5 新型专家系统 35 6.5.3 6.5.3 协同式专家系统协同式专家系统 w 一般专家系统解题的领域面很

28、窄一般专家系统解题的领域面很窄 w 协同式多专家系统是克服一般专家系统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。的局限性的一个重要途径。 w 协同式多专家系统亦可称协同式多专家系统亦可称“群专家系统群专家系统” 6.5 新型专家系统 36 设计与建立一个协同式多专家系统， 需要解决的问题： w 任务的分解任务的分解 w 公共知识的导出公共知识的导出 w 讨论方式讨论方式 w 裁决问题裁决问题 w 驱动方式驱动方式 6.5 新型专家系统 37 6.6 6.6 专家系统设计专家系统设计 分为以下两部分介绍分为以下两部分介绍 以设计一个基于规则的维修咨询系统为例，以设计一个基于规则

29、的维修咨询系统为例， 说明专家系统的设计过程。这一过程包括描说明专家系统的设计过程。这一过程包括描 述专家知识、应用知识和解释决策等。述专家知识、应用知识和解释决策等。 v专家知识的描述专家知识的描述 v知识的使用和决策解释知识的使用和决策解释 38 6.6.16.6.1专家知识的描述专家知识的描述 w 结论的表示结论的表示 结论规定了所涉及专门知结论规定了所涉及专门知 识的范围识的范围 w 观测的表示观测的表示 观测是得到结论所需要的观测是得到结论所需要的 观察或量测结果观察或量测结果 w 推理规则的表示推理规则的表示 产生式规则是决策规产生式规则是决策规 则最为常用的表示形式可根据观测和假则最为常用的表示形式可根据观测和假 设之间的逻辑关系分成设之间的逻辑关系分成3 3类：类：(1) FF(1) FF规则规则 (2) FH(2) FH规则规则 (3) HH(3) HH规则规则 6.6 专家系统设计 39 6.6.2 知识的使用和决策解释知识的使用和决策解释 w 结论的分级与选择结论的分级与选择 w 询问问题的策略询问问题的策略 固定的顺序固定的顺序 根据具体情况作出某种选择根据具体情况作出某种选择 w 决策的解释决策的解释 对系统设计者的解释对系统设计者的解释 对系统使用者的解释对系统使用者的解释 6.