第5章专家系统

1、 第5 5章 专家系统专家系统 2021-11-41 2021-11-422021-11-432021-11-44n 对比专家，则对比专家，则专家系统也应具备以下四个要素：专家系统也应具备以下四个要素：n (1) (1) 应用于某专门领域；应用于某专门领域；n (2) (2) 拥有专家级知识；拥有专家级知识；n (3) (3) 能模拟专家的思维；能模拟专家的思维；n (4) (4) 能达到专家级水平。能达到专家级水平。2021-11-45 同一般的计算机应用系统（如数值计算、数据同一般的计算机应用系统（如数值计算、数据处理系统等）相比，专家系统具有下列性能：处理系统等）相比，专家系统具有下列性

2、能： 现实世界中，以数学化公式为现实世界中，以数学化公式为核心的知识仅约占核心的知识仅约占8%8%，大部分问题都是非数学化的，大部分问题都是非数学化的知识。专家系统善于解决那些不确定性的、非结构知识。专家系统善于解决那些不确定性的、非结构化的、没有算法解或虽有算法解但在现有的机器上化的、没有算法解或虽有算法解但在现有的机器上无法实施的高难问题。无法实施的高难问题。 2021-11-46 从处理问题的方法看，从处理问题的方法看，专家系统则是靠知识和推理来解决问题（不像传专家系统则是靠知识和推理来解决问题（不像传统软件系统使用固定的算法来解决问题），所以，统软件系统使用固定的算法来解决问题），所以

3、，专家系统是基于知识的智能问题求解系统。专家系统是基于知识的智能问题求解系统。其次，其次， 许多经典的人工智能程序往往是从纯学术技术目许多经典的人工智能程序往往是从纯学术技术目的出发研制的一种实验性研究工具，而专家系统的出发研制的一种实验性研究工具，而专家系统解决的是人们在生产实践、科学研究、产品设计解决的是人们在生产实践、科学研究、产品设计以及其它领域的实际问题，更多地强调实用。以及其它领域的实际问题，更多地强调实用。2021-11-47 从系统的结构来看，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。其

4、灵活性还表现为：由于知识库的灵活性和可扩充性。其灵活性还表现为：由于知识库与推理机分离，使人们可把一个技术上成熟的专家系统与推理机分离，使人们可把一个技术上成熟的专家系统变为一个专家系统工具，即只要抽去知识库中的知识就变为一个专家系统工具，即只要抽去知识库中的知识就可使它变为一个专家系统外壳。当要建立另外一个其功可使它变为一个专家系统外壳。当要建立另外一个其功能与之类似的专家系统时，只要把相应的知识装入到该能与之类似的专家系统时，只要把相应的知识装入到该外壳的知识库中就可以了。这就节省了耗时费工的开发外壳的知识库中就可以了。这就节省了耗时费工的开发工作。事实上，目前有一些专家系统开发工具就是这

5、样工作。事实上，目前有一些专家系统开发工具就是这样得来的。例如，由专家系统得来的。例如，由专家系统MYCINMYCIN得到的构造工具得到的构造工具EMYCINEMYCIN；由由PROSPECTORPROSPECTOR得到的得到的ESES外壳外壳KASKAS等。等。2021-11-48专家系统必须具有解释功能，能专家系统必须具有解释功能，能回答用户提出的问题，向用户解释它的决策动机和结论回答用户提出的问题，向用户解释它的决策动机和结论的推理过程，使用户能清楚地了解系统处理问题正确性，的推理过程，使用户能清楚地了解系统处理问题正确性，通过增强系统的透明度而取信于用户。例如，一个医疗通过增强系统的透

6、明度而取信于用户。例如，一个医疗诊断专家系统诊断某病人患有肺炎，而且必须用某种抗诊断专家系统诊断某病人患有肺炎，而且必须用某种抗生素治疗，那么，这一专家系统应向病人解释为什么判生素治疗，那么，这一专家系统应向病人解释为什么判断他患有肺炎，解释用该抗生素治疗的原因，就像一位断他患有肺炎，解释用该抗生素治疗的原因，就像一位医疗专家对病人详细解释病情一样。医疗专家对病人详细解释病情一样。2021-11-492021-11-410依据某一算法依据某一算法数值量数值量难修改，需改动整个程序并重新编译难修改，需改动整个程序并重新编译正确，不容许不确定性正确，不容许不确定性依据启发式方式依据启发式方式符号量

7、符号量易修改，只需改动知识库易修改，只需改动知识库满意，容许不确定性满意，容许不确定性 2021-11-411 n专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘，易受环境、情绪的影响，它可始专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘，易受环境、情绪的影响，它可始终如一地以专家级的高水平求解问题。因此，从这个意义上讲，专家系终如一地以专家级的高水平求解问题。因此，从这个意义上讲，专家系统可以超过专家本人。统可以超过专家本人。n专家系统便于保存和大面积推广各种专家的宝贵知识，更有效地发挥各专家系统便于保存和大面积推广各种专家的宝贵知识，更有效地发挥各种专业人才的作用，克服人类专家供不应求的矛盾。专家系统还可以综种专业人才

8、的作用，克服人类专家供不应求的矛盾。专家系统还可以综合许多专家的知识和经验，从而博采众长。专家系统作为一种计算机系合许多专家的知识和经验，从而博采众长。专家系统作为一种计算机系统，便于发挥计算机快速、准确的优势，在某些方面比专家更可靠、更统，便于发挥计算机快速、准确的优势，在某些方面比专家更可靠、更灵活，可以不受时间、地域及人为因素的影响。灵活，可以不受时间、地域及人为因素的影响。n另外，由于专家系统具有解释功能，系统设计者和领域专家就可方便地另外，由于专家系统具有解释功能，系统设计者和领域专家就可方便地找出系统隐含的错误，便于对系统进行维护。找出系统隐含的错误，便于对系统进行维护。 2021

9、-11-412n 1.1.按用途分类按用途分类 按用途分类，专家系统可分为：诊断型、解释按用途分类，专家系统可分为：诊断型、解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型等几种类型。型、调度型等几种类型。 n 2.2.按输出结果分类按输出结果分类 按输出结果分类，专家系统可分为分析型和设按输出结果分类，专家系统可分为分析型和设计型。计型。 5.1.4 5.1.4 专家系统的分类专家系统的分类2021-11-413n 3.3.按知识分类按知识分类 知识可分为确定性知识和不确定性知识，所以，按知知识可分为确定性知识和不确定性知识，所以，按知识分类，专

10、家系统又可分为精确推理型和不精确推理型识分类，专家系统又可分为精确推理型和不精确推理型（如模糊专家系统）。（如模糊专家系统）。n 顺便指出，顺便指出，关于知识处理的技术和方法已形成一个称为关于知识处理的技术和方法已形成一个称为“”（Knowledge EngineeringKnowledge Engineering）的学科领域。这）的学科领域。这就是说，专家系统促使了知识工程的诞生和发展，知识工就是说，专家系统促使了知识工程的诞生和发展，知识工程又是为专家系统服务的。正是由于这二者的密切关系，程又是为专家系统服务的。正是由于这二者的密切关系，所以，现在的所以，现在的“专家系统专家系统”与与“知

11、识工程知识工程”几乎已成为同几乎已成为同义语。义语。n 4.4.按技术分类按技术分类 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。前面讲的内容均为基于符号推理和神经网络专家系统。前面讲的内容均为基于符号推理5.1.4 5.1.4 专家系统的分类专家系统的分类2021-11-414n 5.5.按规模分类按规模分类 按规模分类，可分为大型协同式专家系统和微专按规模分类，可分为大型协同式专家系统和微专家系统。家系统。 n 6.6.按结构分类按结构分类 按结构分类可分为集中式和分布式，单机型和网络按结构分类可分为集中式和分布式，单

12、机型和网络型型( (即网上专家系统即网上专家系统) )。 5.1.4 5.1.4 专家系统的分类专家系统的分类2021-11-415n1. 1. 专家系统与知识系统专家系统与知识系统n 专家系统能有效地解决问题的主要原因在于它拥有专家系统能有效地解决问题的主要原因在于它拥有知识，因为知识，因为“”。但专家系统拥有的知识。但专家系统拥有的知识是专家知识，而且主要是经验性知识。是专家知识，而且主要是经验性知识。n 由专家系统的出现和发展而发展起来的一种称为知由专家系统的出现和发展而发展起来的一种称为知识系统（识系统（Knowledge Based System)Knowledge Based Sy

13、stem)的智能系统，其中的智能系统，其中的知识已不限于人类专家的经验知识，而可以是领域知的知识已不限于人类专家的经验知识，而可以是领域知识或通过机器学习所获得的知识等。识或通过机器学习所获得的知识等。所以，对于这种广所以，对于这种广义的知识系统来说，专家系统就是一种特殊的知识系统。义的知识系统来说，专家系统就是一种特殊的知识系统。5.1.5 5.1.5 专家系统与知识工程专家系统与知识工程2021-11-416 2. 2. 专家系统与知识工程专家系统与知识工程n 由于专家系统是基于知识的系统，那么，建造专家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到：系统就涉及到：n （1 1）

14、知识获取：知识获取：从人类专家那里或从实际问题搜集、整从人类专家那里或从实际问题搜集、整理、归纳专家级知识理、归纳专家级知识n （2 2）知识表示：知识表示：以某种结构形式表达所获取的知识，并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将其存储于计算机之中n （3 3）知识的组织与管理：知识的组织与管理：知识库建立与维护等知识库建立与维护等n （4 4）知识的利用：知识的利用：使用知识进行推理等一系列关于知识使用知识进行推理等一系列关于知识处理的技术和方法。处理的技术和方法。 5.1.5 5.1.5 专家系统与知识工程专家系统与知识工程2021-11-417n 关于知识处理的技术和方

15、法已形成一个称为关于知识处理的技术和方法已形成一个称为“知识知识工程工程”（Knowledge EngineeringKnowledge Engineering）的学科领域。这就是）的学科领域。这就是说，专家系统促使了知识工程的诞生和发展，知识工程说，专家系统促使了知识工程的诞生和发展，知识工程又是为专家系统服务的。正是由于这二者的密切关系，又是为专家系统服务的。正是由于这二者的密切关系，所以，现在的所以，现在的“专家系统专家系统”与与“知识工程知识工程”几乎已成为几乎已成为同义语。同义语。5.1.5 5.1.5 专家系统与知识工程专家系统与知识工程2021-11-4182021-11-419

16、2021-11-4202021-11-4212021-11-4222021-11-423行星行星p pD Dd/pd/pd d2 2/p/pd d3 3/p/p2 2MercuryMercury1 11 11 10 01 10 01 10 0VenusVenus8 84 40 05 52 20 01 10 0EarthEarth27279 90 033333 30 01 10 02021-11-424n这是根据现状预测未来可能发生的情况的专家系统。诸如应这是根据现状预测未来可能发生的情况的专家系统。诸如应用于气象预报、地震灾害预测、人口预测、工农业产量估计用于气象预报、地震灾害预测、人口预测、

17、工农业产量估计及水文、经济、军事形势预测等方面。其特点为：及水文、经济、军事形势预测等方面。其特点为：n 系统处理的数据随时间变化，而且可能是不准确和不完系统处理的数据随时间变化，而且可能是不准确和不完全的。全的。n 系统需要有适应时间变化的动态模型，能够从不完全和系统需要有适应时间变化的动态模型，能够从不完全和不准确的信息中，得出预报，并达到要求的时效性。不准确的信息中，得出预报，并达到要求的时效性。n如台风路径预报如台风路径预报TYT专家系统就是一例。专家系统就是一例。2021-11-425n根据诊断对象的表征现象，例如病人的临床症状，机器故障根据诊断对象的表征现象，例如病人的临床症状，机

18、器故障的声光现象等，推断出该对象机能失常或发生故障的原因。的声光现象等，推断出该对象机能失常或发生故障的原因。诊断专家系统具有下列特点：诊断专家系统具有下列特点：n 能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们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。之间的联系。n 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。n 能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽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。可能正确的诊断。n如著名的如著名的MYCIN系统，就能对传染性疾病做出专家水平的诊系统，就能对传染性疾病做出专家水

19、平的诊断和治疗选择。断和治疗选择。 2021-11-426n这是一种根据任务要求，计算出满足设计问题约束的目标配这是一种根据任务要求，计算出满足设计问题约束的目标配置的系统。设计型专家系统应具有下列特点：置的系统。设计型专家系统应具有下列特点：n 善于从多方面的约束中得到符合要求的设计结果。善于从多方面的约束中得到符合要求的设计结果。n 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。n 善于分析各种问题，并处理好子问题间的相互关系。善于分析各种问题，并处理好子问题间的相互关系。n 能够试验性地构造出可能设计，并易于对所得设计方案进能够试验性地构造出可能设计，并易于对所得设计方案进

20、行修改。行修改。n 能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的新设计。能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的新设计。n例如，例如，DAC公司用来帮助用户提出最佳计算机配置方案的公司用来帮助用户提出最佳计算机配置方案的R1系统。系统。 2021-11-427n 规划型专家系统用来制订行动规划一类专家系统。诸如机规划型专家系统用来制订行动规划一类专家系统。诸如机器人动作规划、制订生产规划等。其具体特点有：器人动作规划、制订生产规划等。其具体特点有：n 所要规划的目标可能是动态的或静态的，因而需要对未所要规划的目标可能是动态的或静态的，因而需要对未来动作做出预测。来动作做出预测。n 所涉及的问题可能

21、很复杂，要求系统能够抓住重点，处所涉及的问题可能很复杂，要求系统能够抓住重点，处理好各子目标之间的关系和不确定的数据信息，并通过实验理好各子目标之间的关系和不确定的数据信息，并通过实验性动作得出可行规划。性动作得出可行规划。 2021-11-428n 这是用来对某些行为、状况进行监视，并与其正常情况进这是用来对某些行为、状况进行监视，并与其正常情况进行比较，当发现异常发出告警或进行干预的系统。如森林火行比较，当发现异常发出告警或进行干预的系统。如森林火警监视、机场监视等。监视专家系统具有下列特点：警监视、机场监视等。监视专家系统具有下列特点：n 系统应具有快速反应能力，在造成事故之前及时发出警

22、系统应具有快速反应能力，在造成事故之前及时发出警报。报。n 系统发出的警报要有很高的准确性。在需要发出警报时系统发出的警报要有很高的准确性。在需要发出警报时发警报，在不需要发出警报时不得轻易发警报（假警报）。发警报，在不需要发出警报时不得轻易发警报（假警报）。n 系统能够随时间和条件的变化而动态地处理其输入信息。系统能够随时间和条件的变化而动态地处理其输入信息。 2021-11-429n 用以自适应地管理受控对象，使之满足预期要求的系统。用以自适应地管理受控对象，使之满足预期要求的系统。其特点为：能够解释当前情况，预测未来可能发生的情况；其特点为：能够解释当前情况，预测未来可能发生的情况；诊断

23、可能发生的问题及其原因，不断修正计划，控制系统的诊断可能发生的问题及其原因，不断修正计划，控制系统的运行。控制型专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行运行。控制型专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等功能。等功能。n 调试型专家系统的任务是对失灵的对象给出处理意见和方调试型专家系统的任务是对失灵的对象给出处理意见和方法。调试专家系统的特点是同时具有规划、设计、预报和诊法。调试专家系统的特点是同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。断等专家系统的功能。2021-11-430n 教学型专家系统能根据学生的知识点掌握情况、性情特点教学型专家系统能根据学生的知识点掌握情况、性情特点等，以

24、最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。教等，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。教学专家系统的特点为：学专家系统的特点为：n 同时具有诊断和调试等功能。同时具有诊断和调试等功能。n 具有良好的人机界面。具有良好的人机界面。n系统能对发生故障的对象（系统或设备）进行处理，使其恢系统能对发生故障的对象（系统或设备）进行处理，使其恢复正常工作。该类型专家系统应具有诊断、调试、计划和执复正常工作。该类型专家系统应具有诊断、调试、计划和执行等功能。行等功能。 2021-11-431 人 机 接 口推理机解释器知识获取知识与数据库图7-A 专家系统的一般结构 知识库推理机输入或提问答案专家

25、知识 图7- 专家系统的基本结构 用户 专家/知识工程师 2021-11-432图73B 专家系统的基本结构 人 机 界 面推 理 机解释模块动态数据库知识库自学习模块知识库管理系统 2021-11-433n 存储具体领域内的初始数据和推理过程中所涉及到的各存储具体领域内的初始数据和推理过程中所涉及到的各种信息种信息如中间结果、目标、子目标、条件、假设等等。如中间结果、目标、子目标、条件、假设等等。如解如解题步骤、处理策略、选择处理方法、求解某种问题的能力、题步骤、处理策略、选择处理方法、求解某种问题的能力、系统如何组织和管理其自身知识等。这样既便于用户的理系统如何组织和管理其自身知识等。这样

26、既便于用户的理解和接受，同时也便于系统的维护。解和接受，同时也便于系统的维护。2021-11-434n 提供知识获取、机器学习、修改、扩充和完善等其它维提供知识获取、机器学习、修改、扩充和完善等其它维护手段。护手段。这样才能更有效地提高系统的问题求解能力及准这样才能更有效地提高系统的问题求解能力及准确性。确性。 其中，其中，存放知识和使用知识是专家系统的两个基本功能存放知识和使用知识是专家系统的两个基本功能，用于实现该功能的知识库和推理机构成了专家系统的两个用于实现该功能的知识库和推理机构成了专家系统的两个核心部件，如图核心部件，如图5-25-2所示。所示。n基于规则的专家系统的结构如图基于规

27、则的专家系统的结构如图7-37-3所示，一般包括知识与所示，一般包括知识与数据库、推理机、黑板、人机接口、解释器和知识获取机数据库、推理机、黑板、人机接口、解释器和知识获取机等六部分。等六部分。2021-11-435人 机 接 口推理机解释器知识获取知识与数据库图5-A 专家系统的一般结构 知识库知识库输入或提输入或提问问答案答案 图5- 专家系统的基本结构 用户 专家/知识工程师 2021-11-436n知识与数据库：知识与数据库：包括专家知识库和事实数据库两部分，存储包括专家知识库和事实数据库两部分，存储着求解领域中问题所需的专家知识及数据，它是专家系统的着求解领域中问题所需的专家知识及数

28、据，它是专家系统的组成基础。组成基础。n主要用途：主要用途：用于存放相关领域或问题的初始数据、中间结果、用于存放相关领域或问题的初始数据、中间结果、最终结论等。它能最终结论等。它能对知识和全局数据施行存储、管理，并以对知识和全局数据施行存储、管理，并以规则形式表达专家级知识。一类是领域中的定义、事实和理规则形式表达专家级知识。一类是领域中的定义、事实和理论等，通常收录于相关学术著作和教科书中；另一类是专家论等，通常收录于相关学术著作和教科书中；另一类是专家个人在工作经历中所获得的实践经验等。这使得专家们在错个人在工作经历中所获得的实践经验等。这使得专家们在错综复杂关键时刻，能临机决断，做出正确

29、决策。综复杂关键时刻，能临机决断，做出正确决策。n特性：特性： 它可被所有的规则访问；它可被所有的规则访问； 规则之间的联系只有规则之间的联系只有通过数据库才能发生。通过数据库才能发生。2021-11-437n推理机：推理机：推理机推理机实际上实际上，它是专家系，它是专家系统的统的“思维思维”机构，是机构，是构成专家系统的核心部分构成专家系统的核心部分。协调控制整个系统，模拟领域专家的思维过程，协调控制整个系统，模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。它能根据当前已知的事实，利用控制并执行对问题的求解。它能根据当前已知的事实，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，知识

30、库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得问题的答案或证明某个假设的正确性。求得问题的答案或证明某个假设的正确性。n总之，总之，和和成了一个专家系统的基本框架。同成了一个专家系统的基本框架。同时，这两部分又是相辅相成、密切相关的。因为不同的知识时，这两部分又是相辅相成、密切相关的。因为不同的知识表示有不同的推理方式，所以，推理机的推理方式和工作效表示有不同的推理方式，所以，推理机的推理方式和工作效率不仅与推理机本身的算法有关，还与知识库中的知识以及率不仅与推理机本身的算法有关，还与知识库中的知识以及知识库的组织有关。知识库的组织有关。2021-11-438n 顾名思义，黑板是一种顾名

31、思义，黑板是一种的装的装置，置，许多专家系统结构许多专家系统结构把黑板并入数据库中，但它只是系统运行中间的一把黑板并入数据库中，但它只是系统运行中间的一些动态信息的集合，是系统运行期间产生和变化的，些动态信息的集合，是系统运行期间产生和变化的，因此，它只是数据库中因此，它只是数据库中“动态动态”变化的那一部分。变化的那一部分。有了黑板，便于进行系统跟踪、调试与解释。有了黑板，便于进行系统跟踪、调试与解释。2021-11-439n 这是实现系统透明性的重要模块。它负责回答用户提出这是实现系统透明性的重要模块。它负责回答用户提出的各种问题，解释系统的推理过程，使系统向用户透明。的各种问题，解释系统

32、的推理过程，使系统向用户透明。n 解释程序模块由一组程序构成，它是专家系统区别于一解释程序模块由一组程序构成，它是专家系统区别于一般程序的重要特征之一。它可对推理路线和提问的含义给出般程序的重要特征之一。它可对推理路线和提问的含义给出必要的清晰的解释，使用户了解推理过程；并能跟踪并记录必要的清晰的解释，使用户了解推理过程；并能跟踪并记录推理过程，也为系统维护提供了方便的手段。推理过程，也为系统维护提供了方便的手段。2021-11-440 这是专家系统中能将某专业领域内的事实性知识和领这是专家系统中能将某专业领域内的事实性知识和领域专家所特有的经验性知识转化为计算机可利用的形式并域专家所特有的经

33、验性知识转化为计算机可利用的形式并送入知识库的功能模块。同时也负责知识库中知识的修改、送入知识库的功能模块。同时也负责知识库中知识的修改、删除和更新，并对知识库的完整性和一致性进行维护。知删除和更新，并对知识库的完整性和一致性进行维护。知识获取模块是实现系统灵活性的主要部分，它使领域专家识获取模块是实现系统灵活性的主要部分，它使领域专家可以修改知识库而不必了解知识库中知识的表示方法、知可以修改知识库而不必了解知识库中知识的表示方法、知识库的组织结构等实现上的细节问题，这大大地提高了系识库的组织结构等实现上的细节问题，这大大地提高了系统的可扩充性。统的可扩充性。2021-11-441n 人机接口

34、负责把领域专家、知识工程师或一般人机接口负责把领域专家、知识工程师或一般用户输入的信息转换成系统内规范化的表示形式，用户输入的信息转换成系统内规范化的表示形式，然后把这些内部表示交给相应的模块去处理。系统然后把这些内部表示交给相应的模块去处理。系统输出的内部信息也由人机接口转换成用户易于理解输出的内部信息也由人机接口转换成用户易于理解的外部表示形式显示给用户。的外部表示形式显示给用户。 2021-11-442n求解过程大致有如下几个步骤：求解过程大致有如下几个步骤：n 根据用户的问题对知识库进行搜索，寻找有关的知识。根据用户的问题对知识库进行搜索，寻找有关的知识。n 根据有关的知识和系统的控制

35、策略形成解决问题的途径，根据有关的知识和系统的控制策略形成解决问题的途径，即知识操作算子序列，从而构成一个假设集合。即知识操作算子序列，从而构成一个假设集合。n 对解决问题的一组可能假设方案进行排序，并挑选其中在对解决问题的一组可能假设方案进行排序，并挑选其中在某些准则下为最优的假设方案。某些准则下为最优的假设方案。n 根据挑选的解决问题的假设方案去求解具体问题。根据挑选的解决问题的假设方案去求解具体问题。n 如果该方案不能真正解决问题，则回溯到假设方案序列中如果该方案不能真正解决问题，则回溯到假设方案序列中的下一个假设方案，重复求解问题。的下一个假设方案，重复求解问题。n 上述过程循环执行，

36、直到问题已经解决或所有可能的求解上述过程循环执行，直到问题已经解决或所有可能的求解方案都不能解决问题而宣告方案都不能解决问题而宣告“本系统该问题无解本系统该问题无解”为止。为止。2021-11-443上述过程可用上述过程可用图图5-3来描述。来描述。Y Y 目标问题分析目标问题分析根据目标问题集聚知识根据目标问题集聚知识形成解决问题的假设方案集形成解决问题的假设方案集选择最优方案执行之选择最优方案执行之对假设方案集进行排序对假设方案集进行排序知识库知识库问题已解决？问题已解决？选择下一个方案并执行选择下一个方案并执行还有其它方案？还有其它方案？成功结束成功结束失败结束失败结束N N 2021-

37、11-444n 上面介绍的专家系统结构，是专家系统的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主概念模型，或者说是只强调知识和推理这一主要特征的专家系统结构。但专家系统终究仍是要特征的专家系统结构。但专家系统终究仍是一种计算机应用系统。所以，它与其它应用系一种计算机应用系统。所以，它与其它应用系统一样是解决实际问题的。而实际问题往往是统一样是解决实际问题的。而实际问题往往是错综复杂的，比如，可能需要多次推理或多路错综复杂的，比如，可能需要多次推理或多路推理或多层推理才能解决，而知识库也可能是推理或多层推理才能解决，而知识库也可能是多块或多层的。多块或多层的。20

38、21-11-445 专家系统的实际结构示例 总 控处理模块1专家模块1专家模块m处理模块n2021-11-446地质图件绘制智能辅助系统结构 多 媒 体 人 机 界 面方 法知识库参 数知识库动态数据库评 价知识库自学习模 块知 识 库 管 理 系统方法选择参数确定图件绘制图形评价IO接口2021-11-447n 在网络环境下，专家系统也可以设计成网络结构，在网络环境下，专家系统也可以设计成网络结构，如如“客户机客户机/ /服务器服务器”(Client/Server)(Client/Server)结构（如图结构（如图85(a)85(a)所示），或浏览器所示），或浏览器/ /服务器服务器(Bro

39、wser/Server)(Browser/Server)结构结构( (如图如图8-8-5(b)5(b)所示所示) )。我们称后一种结构的专家系统为网上专家系。我们称后一种结构的专家系统为网上专家系统。统。n 分布式结构则是一种适合于分布式计算环境的专家分布式结构则是一种适合于分布式计算环境的专家系统。例如那些多学科、多专家联合作业，协同解题的大系统。例如那些多学科、多专家联合作业，协同解题的大型专家系统，就可以设计成分布式结构。这类专家系统也型专家系统，就可以设计成分布式结构。这类专家系统也就称为分布式专家系统。就称为分布式专家系统。2021-11-448 专家系统的客户(机)/服务器结构及浏

40、览器/服务器结构 知识库推理机推理机知识库人机界面人机界面客户（机） Browser服务器 Web ServerInternet2021-11-4492021-11-4502021-11-4512021-11-4522021-11-453 2021-11-454综合数综合数据库据库产生式产生式规则规则控制策略控制策略2021-11-455综合数综合数据库据库 匹配事实匹配事实 调用规则调用规则 产生式规则产生式规则( (库库) ) 图图3 3 产生式系统组成产生式系统组成2021-11-456 综合数据库综合数据库知识与数据库知识与数据库 2021-11-457n专家系统的性能需要从四方面来考

41、虑：即和由于考虑因素不同，角度不同，所给出的准则也不同。为了使所设计的专家系统便于实现，这是设计专家系统的基本原则。以便于系统对知识进行统一的处理、解释和管理。把启发性知识也尽可能地独立出来，这样既便于推理机的实现，同时也便于对问题的解释。2021-11-458 一般所采取的步骤是一个传统程序一般所采取的步骤是一个传统程序开发的循环形式，整个开发过程如图开发的循环形式，整个开发过程如图5 5所所示示, ,2021-11-459 在在ESES开发中，开发中，不可能被不可能被很好理解，定义也很好理解，定义也不可能很完整，则不可能很完整，则往往往往以修改已进行以修改已进行的过程。的过程。在过在过程的

42、动态反复进行程的动态反复进行中，中，2021-11-460 在进行构思和设计专家系统之前，首先必须搞清楚在进行构思和设计专家系统之前，首先必须搞清楚用户需要一个什么样的系统？要求具有什么功能？各项用户需要一个什么样的系统？要求具有什么功能？各项性能要求如何等。因此，需求分析做的好坏是系统最终性能要求如何等。因此，需求分析做的好坏是系统最终成败的一个关键，而且是专家系统的艰难开发过程的第成败的一个关键，而且是专家系统的艰难开发过程的第一关。知识工程师要花很多时间反复向未来的用户和领一关。知识工程师要花很多时间反复向未来的用户和领域专家提出各种问题，并共同讨论解决各种问题的方法，域专家提出各种问题

43、，并共同讨论解决各种问题的方法，写出写出“需求分析报告需求分析报告”， 根据专家与用户们的评审意见，根据专家与用户们的评审意见， 把需求分析报告改写成把需求分析报告改写成“系统规格说明书系统规格说明书”，并做出，并做出“系统开发计划系统开发计划”。2021-11-461n知识获取是专家系统开发过程中知识获取是专家系统开发过程中最重要而困难的一步最重要而困难的一步，被，被称为专家系统开发的称为专家系统开发的“”。因此，在做了需求分析之。因此，在做了需求分析之后，就要开始寻找该领域内合适的专家以及相应的资料来后，就要开始寻找该领域内合适的专家以及相应的资料来获取知识。获取知识。知识获取需要知识工程

44、师与领域专家的密切配知识获取需要知识工程师与领域专家的密切配合和支持，否则是不可能成功的。合和支持，否则是不可能成功的。从某种意义上来说，知从某种意义上来说，知识是决定专家系统性能好坏的主要因素，知识获取的成功识是决定专家系统性能好坏的主要因素，知识获取的成功几乎就使系统成功了一半。这是一个反复进行，不断修改、几乎就使系统成功了一半。这是一个反复进行，不断修改、扩充；进行需求分析，知识表示，详细设计，实现编码、扩充；进行需求分析，知识表示，详细设计，实现编码、测试与评价，管理与维护的过程。测试与评价，管理与维护的过程。2021-11-462 在第在第3 3章中曾介绍了多种知识表示方法，不同的表

45、示章中曾介绍了多种知识表示方法，不同的表示模式适合于表达不同类型的知识。因此，根据所选定的领模式适合于表达不同类型的知识。因此，根据所选定的领域范围和所获取的知识，选定或设计一、二种表示方法来域范围和所获取的知识，选定或设计一、二种表示方法来最合适地表示相应领域的知识是一项很重要的工作。值的最合适地表示相应领域的知识是一项很重要的工作。值的指出的是，某些专家系统中的知识类型比较多，单一知识指出的是，某些专家系统中的知识类型比较多，单一知识表示模式有时很难实现系统的任务要求。因此，在具体建表示模式有时很难实现系统的任务要求。因此，在具体建造专家系统时，可采用多种知识表示方法有机结合的方法。造专家

46、系统时，可采用多种知识表示方法有机结合的方法。这样，可对不同类型的知识采用最合适的方法来表示，发这样，可对不同类型的知识采用最合适的方法来表示，发挥各种方法的优势挥各种方法的优势。2021-11-463 这个阶段所要完成的任务是从宏观上初步确定系统的体这个阶段所要完成的任务是从宏观上初步确定系统的体系结构，进行功能模块的划分，确定各功能模块之间的相互系结构，进行功能模块的划分，确定各功能模块之间的相互关系（包括控制流和数据流等），画出系统的总体结构图，关系（包括控制流和数据流等），画出系统的总体结构图，确定主要的用户界面及相应的设计报告或说明书。在总的满确定主要的用户界面及相应的设计报告或说明

47、书。在总的满足需求分析的前提下，最终确定系统或模块的性能指标，作足需求分析的前提下，最终确定系统或模块的性能指标，作为下一步详细设计时要达到的目标。为下一步详细设计时要达到的目标。2021-11-464n该阶段要根据各功能模块任务和性能的要求，该阶段要根据各功能模块任务和性能的要求，完成各模块完成各模块的具体方案设计。的具体方案设计。具体要求设计数据库、知识库、推理机、具体要求设计数据库、知识库、推理机、知识获取、解释和用户接口的实现方案。知识获取、解释和用户接口的实现方案。n程序结构的模块化设计是详细设计阶段的主要方法程序结构的模块化设计是详细设计阶段的主要方法。先将。先将整个程序分解为若干

48、模块，每个模块又分解为若干个子模整个程序分解为若干模块，每个模块又分解为若干个子模块，有的子模块还可更进一步分解。明确各模块和子模块块，有的子模块还可更进一步分解。明确各模块和子模块的功能及其入口和出口，以便不同的程序员可明确分工，的功能及其入口和出口，以便不同的程序员可明确分工，分别编写不同的模块和子模块。完成各模块间接口的具体分别编写不同的模块和子模块。完成各模块间接口的具体设计，要求界面清晰、互相联系方便和高效。设计，要求界面清晰、互相联系方便和高效。2021-11-465n 选择合适的语言工具，这要根据具体情况而定，其中包选择合适的语言工具，这要根据具体情况而定，其中包括是否可能实现上

49、面确定的详细设计；软件编程人员对语括是否可能实现上面确定的详细设计；软件编程人员对语言或工具的熟练程度以及实现人员的水平；是否能表达所言或工具的熟练程度以及实现人员的水平；是否能表达所获取的知识；可移植性和可维护性等。获取的知识；可移植性和可维护性等。n 可选择使用某种可选择使用某种“外壳外壳”（ShellShell）来实现，将使这一）来实现，将使这一工作变得简单，仅需按规定要求，把知识库与外壳连接起工作变得简单，仅需按规定要求，把知识库与外壳连接起来并作必要的测试即可。还必须采用某种知识处理语言来来并作必要的测试即可。还必须采用某种知识处理语言来实现各功能模块，对各功能模块进行详细编码与调试

50、，并实现各功能模块，对各功能模块进行详细编码与调试，并将这些模块连接起来，再进行系统调试。将这些模块连接起来，再进行系统调试。2021-11-466n 功能模块测试与评价，已在具体实现阶段完成。功能模块测试与评价，已在具体实现阶段完成。而系统测而系统测试与评价的目的在于测试和评估整个系统的功能与性能，试与评价的目的在于测试和评估整个系统的功能与性能，并进行必要的修改以达到在需求分析阶段确定的功能与性并进行必要的修改以达到在需求分析阶段确定的功能与性能指标。能指标。系统的测试与评价必须有领域专家和用户参加，系统的测试与评价必须有领域专家和用户参加，不仅要对程序编码进行测试，同时也要对知识和推理进

51、行不仅要对程序编码进行测试，同时也要对知识和推理进行测试与评价，界面是否满足用户的要求等。测试与评价，界面是否满足用户的要求等。n方法：方法：选用测试实例与专家的处理结果进行比较，选用测试实例与专家的处理结果进行比较，发现不发现不合理或不满意，则由开发人员具体修改，再进行下一轮测合理或不满意，则由开发人员具体修改，再进行下一轮测试，如此试，如此，直到最终达到预期目标。，直到最终达到预期目标。2021-11-467这是这是ESES应用中的重要环节。应用中的重要环节。ESES系统经过一定时系统经过一定时间实际运行后间实际运行后, ,将积累一些经验和知识，并发现某将积累一些经验和知识，并发现某些不足

52、。因此，知识库的知识要不断增加与更新，些不足。因此，知识库的知识要不断增加与更新，以提高专家系统的适应性和问题求解能力。允许以提高专家系统的适应性和问题求解能力。允许对其继续进行修改与维护，当然这需要由丰富经对其继续进行修改与维护，当然这需要由丰富经验的人员完成。验的人员完成。2021-11-468n可见，可见，n 例如通过系统测试与评价，要检查整个专家系统的正确性与实用性，例如通过系统测试与评价，要检查整个专家系统的正确性与实用性，以便于系统进行修改与完善，或者是可以提供用户使用。以便于系统进行修改与完善，或者是可以提供用户使用。n其次，上述各开发阶段往往是不能截然分开的。例如，知其次，上述

53、各开发阶段往往是不能截然分开的。例如，知识获取和表示与实现过程互相渗透，密切相关。在测试中识获取和表示与实现过程互相渗透，密切相关。在测试中知识工程师们可能要不断地修改系统的各个部分，也可能知识工程师们可能要不断地修改系统的各个部分，也可能要不断地修改已获取的知识，从而有可能要重新形成规则，要不断地修改已获取的知识，从而有可能要重新形成规则，或需要重新设计知识表示方法，发现新概念或取消旧概念，或需要重新设计知识表示方法，发现新概念或取消旧概念，甚至可能重新进行需求分析。甚至可能重新进行需求分析。2021-11-4692021-11-470已在已在AIAI领域中发展了多种知识表达领域中发展了多种

54、知识表达方法方法。从实现的技术特征上大致分两类：。从实现的技术特征上大致分两类：说明性方法：说明性方法：可把大多数的知识可以表示为一个稳定的可把大多数的知识可以表示为一个稳定的事实集合。这种方法严密性强，易于模块化，具有推理的事实集合。这种方法严密性强，易于模块化，具有推理的完备性，但推理的效率比较低。完备性，但推理的效率比较低。 把知识表达为应用该知识的过程。这种方把知识表达为应用该知识的过程。这种方法不易扩充，但推理效率比较高。法不易扩充，但推理效率比较高。 究竟采用哪种方法好，要具体情况具体分析确定。究竟采用哪种方法好，要具体情况具体分析确定。2021-11-471n知识描述知识描述：选

55、择或设计某种知识表示形式，设计相应的知选择或设计某种知识表示形式，设计相应的知识描述语言。要求该语言既要面向用户，又要面向机器推识描述语言。要求该语言既要面向用户，又要面向机器推理、机器知识的表示和运用。即要求该描述语言既能为用理、机器知识的表示和运用。即要求该描述语言既能为用户提供一种方便、易懂的外部知识表达形式，又能将这种户提供一种方便、易懂的外部知识表达形式，又能将这种外部表示转换成容易存储、管理、运用的内部形式。外部表示转换成容易存储、管理、运用的内部形式。可用现有的程序设计语言作为知识描述语言，如可用现有的程序设计语言作为知识描述语言，如PROLOGPROLOG、LISPLISP、C

56、+C+等等；也可以选用专用的如产生式语言也可以选用专用的如产生式语言OPSOPS、框架语言、框架语言KPLKPL等；等；还可选择现成的还可选择现成的ESES工具来描述，如工具来描述，如KASKAS、EMYCINEMYCIN等。等。 当然还可自行动手设计等。当然还可自行动手设计等。 2021-11-472 知识库是专家系统的核心，知识库的质量直接关系到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。整个系统的性能和效率。 1 1）对知识库设计，主要在于设计知识库对知识库设计，主要在于设计知识库的结构及其知识组织形式。的结构及其知识组织形式。2 2）该结构模式是把知识按某种原则

57、进行分类，该结构模式是把知识按某种原则进行分类，然后分块分层组织存放。诸如按元知识、专家知识、领域然后分块分层组织存放。诸如按元知识、专家知识、领域知识等分层组织，而每一块和每一层还可以再分块分层。知识等分层组织，而每一块和每一层还可以再分块分层。这样，这样，这种层次结构，这种层次结构，可方便知识的调度和搜索，加快推理速度，提高效率；采可方便知识的调度和搜索，加快推理速度，提高效率；采用分块存放，便于更经济地利用知识库空间。用分块存放，便于更经济地利用知识库空间。 2021-11-473 知识库的建立、删除、重组及维护和知识的录入、查知识库的建立、删除、重组及维护和知识的录入、查询、更新、优化

58、等，还有知识的完整性、一致性、冗余性询、更新、优化等，还有知识的完整性、一致性、冗余性检查和安全保护等方面的工作都是对知识的管理，是提高检查和安全保护等方面的工作都是对知识的管理，是提高整个系统性能和效率的保证，对知识的这些管理是由知识整个系统性能和效率的保证，对知识的这些管理是由知识库管理系统来完成。库管理系统来完成。 2021-11-474n知识库管理系统的设计中要做到下面三个方面：知识库管理系统的设计中要做到下面三个方面：包括添加、删除、修改、查询和统计等，这包括添加、删除、修改、查询和统计等，这些功能可采用两种方法来实现。些功能可采用两种方法来实现。利用屏幕窗口，通过人机对话方式利用屏

59、幕窗口，通过人机对话方式实现知识的增、删、改、查等；实现知识的增、删、改、查等； 用全屏幕编辑方式，让用户直接用全屏幕编辑方式，让用户直接用键盘按知识描述语言的语法格式编辑知识。用键盘按知识描述语言的语法格式编辑知识。 检查知识的一致性、完整性、冗余性等。检查知识的一致性、完整性、冗余性等。包括知识库（文件）的建立、删除、分解、合包括知识库（文件）的建立、删除、分解、合并等。其中知识库的分解和合并功能类似于关系数据库的投影、选择并等。其中知识库的分解和合并功能类似于关系数据库的投影、选择和连接操作，实现的是知识库的重组。因为随着系统的运行，可能会和连接操作，实现的是知识库的重组。因为随着系统的

60、运行，可能会发现原先的知识组合不尽合理，从而需要使用分解与合并来重组。发现原先的知识组合不尽合理，从而需要使用分解与合并来重组。 2021-11-475n例如，例如，所谓知识的一致性，就是知识库中所谓知识的一致性，就是知识库中的知识必须是相容的，即无矛盾。例如，下面的两条规则的知识必须是相容的，即无矛盾。例如，下面的两条规则nr1：if P then Qnr2：if P then Qn它们就是矛盾的。它们就是矛盾的。n 再如，设有如下产生式规则再如，设有如下产生式规则nr1：if P then Qnr2：if Q then Rnr3：if R then Snr4：if P then Tnr5：