第3章 专家控制

1、智能控制理论第第3 3章章 专家控制专家控制3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念（1）专家系统的定义）专家系统的定义1）专家系统）专家系统(expert system) ：专家系统是一个智能：专家系统是一个智能计算机程序系统，是一种模拟人类专家解决领域问计算机程序系统，是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。题的计算机程序系统。2）专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利有大量的某个领域专家水平的知识与经验，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用人类专家的知识和解决问题

2、的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念 和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计之，专家系统是一种模拟人类专家

3、解决领域问题的计算机程序系统。算机程序系统。 3）基于知识的专家：专家系统是广泛应用专门知识以）基于知识的专家：专家系统是广泛应用专门知识以解决人类专家水平问题和人工智能的一个分支。专家解决人类专家水平问题和人工智能的一个分支。专家系统又称为基于知识的专家系统。系统又称为基于知识的专家系统。（2）专家系统的发展）专家系统的发展 专家系统是人工智能中最重要的也是最活跃的一专家系统是人工智能中最重要的也是最活跃的一个应用领域，它实现了人工智能从理论研究走向实际个应用领域，它实现了人工智能从理论研究走向实际 应用、从一般推理策略探讨转向运用专门知识的重大应用、从一般推理策略探讨转向运用专门知识的重大

4、 3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念 突破。突破。20世纪世纪60年代初，出现了运用逻辑学和模拟心年代初，出现了运用逻辑学和模拟心理活动的一些通用问题求解程序，它们可以证明定理理活动的一些通用问题求解程序，它们可以证明定理和进行逻辑推理。但是这些通用方法无法解决大的实和进行逻辑推理。但是这些通用方法无法解决大的实际问题，很难把实际问题改造成适合于计算机解决的际问题，很难把实际问题改造成适合于计算机解决的形式，并且对于解题所需的巨大的搜索空间也难于处形式，并且对于解题所需的巨大的搜索空间也难于处理。理。1965年，年，f.a.费根鲍费根鲍姆等人在总结通用问题求解系等人在总结通用

5、问题求解系统的成功与失败经验的基础上统的成功与失败经验的基础上，结合化学领域的专门结合化学领域的专门知识知识，研制了世界上第一个专家系统研制了世界上第一个专家系统dendral ，可以推可以推断化学分子结构。断化学分子结构。 20多年来，知识工程的研究，专家多年来，知识工程的研究，专家系统的理论和技术不断发展，应用渗透到几乎各个领系统的理论和技术不断发展，应用渗透到几乎各个领域，包括化学、数学、物理、生物、医学、农业、气域，包括化学、数学、物理、生物、医学、农业、气3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念 象、地质勘探、军事、工程技术、法律、商业、空间象、地质勘探、军事、工程技术、

6、法律、商业、空间技术、自动控制、计算机设计和制造等众多领域，开技术、自动控制、计算机设计和制造等众多领域，开发了几千个的专家系统，其中不少在功能上已达到，发了几千个的专家系统，其中不少在功能上已达到，甚至超过同领域中人类专家的水平，并在实际应用中甚至超过同领域中人类专家的水平，并在实际应用中产生了巨大的经济效益。产生了巨大的经济效益。 专家系统的发展已经历了专家系统的发展已经历了3 3个阶段个阶段，正向第四代正向第四代过渡和发展。第一代专家系统（过渡和发展。第一代专家系统（dendraldendral、macsymamacsyma等）等）以高度专业化、求解专门问题的能力强为特点。但在以高度专业

7、化、求解专门问题的能力强为特点。但在体系结构的完整性、可移植性等方面存在缺陷体系结构的完整性、可移植性等方面存在缺陷，求解求解问题的能力弱。第二代专家系统（问题的能力弱。第二代专家系统（mycinmycin、casnetcasnet、prospectorprospector、hearsayhearsay等）属单学科专业型、应用型系等）属单学科专业型、应用型系3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念 统，其体系结构较完整，移植性方面也有所改善，而统，其体系结构较完整，移植性方面也有所改善，而且在系统的人机接口、解释机制、知识获取技术、不且在系统的人机接口、解释机制、知识获取技术、不确

8、定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理方法确定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理方法的启发性、通用性等方面都有所改进。第三代专家系的启发性、通用性等方面都有所改进。第三代专家系统属多学科综合型系统，采用多种人工智能语言，综统属多学科综合型系统，采用多种人工智能语言，综合采用各种知识表示方法和多种推理机制及控制策略，合采用各种知识表示方法和多种推理机制及控制策略，并开始运用各种知识工程语言、骨架系统及专家系统并开始运用各种知识工程语言、骨架系统及专家系统开发工具和环境来研制大型综合专家系统。在总结前开发工具和环境来研制大型综合专家系统。在总结前三代专家系统的设计方法和实现技术的基础上，已开

9、三代专家系统的设计方法和实现技术的基础上，已开始采用大型多专家协作系统、多种知识表示、综合知始采用大型多专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、自组织解题机制、多学科协同解题与并行识库、自组织解题机制、多学科协同解题与并行3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念 推理、专家系统工具与环境、人工神经网络知识获取推理、专家系统工具与环境、人工神经网络知识获取及学习机制等最新人工智能技术来实现具有多知识库、及学习机制等最新人工智能技术来实现具有多知识库、多主体的第四代专家系统。多主体的第四代专家系统。 （3）专家系统的四个要素）专家系统的四个要素 1) 1) 应用于某专门领域。应用于某专

10、门领域。 2) 2) 拥有专家级知识。拥有专家级知识。 3) 3) 能模拟专家的思维。能模拟专家的思维。 4) 4) 能达到专家级水平。能达到专家级水平。 （4）专家系统的知识表达方式）专家系统的知识表达方式 为了使计算机能运用专家的领域知识，必须要采为了使计算机能运用专家的领域知识，必须要采3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念 用一定的方式表示知识用一定的方式表示知识 。目前常用的知识表示方式有。目前常用的知识表示方式有状状态空间法、问题归约法、谓词演算法、语义网络法、框架态空间法、问题归约法、谓词演算法、语义网络法、框架表示法、面向对象表示法、剧本表示法、过程表示法。表示法

11、、面向对象表示法、剧本表示法、过程表示法。 基于规则的产生式系统是目前实现知识运用最基本的方基于规则的产生式系统是目前实现知识运用最基本的方法。产生式系统由综合数据库、知识库和推理机法。产生式系统由综合数据库、知识库和推理机3个主要部分个主要部分组成，综合数据库包含求解问题的世界范围内的事实和断组成，综合数据库包含求解问题的世界范围内的事实和断言。知识库包含所有用言。知识库包含所有用“如果：前提，于是：结果如果：前提，于是：结果”形式表达的知识规则。推理机（又称规则解释器）的任务是形式表达的知识规则。推理机（又称规则解释器）的任务是运用控制策略找到可以应用的规则。正向链的策略是寻找出运用控制策

12、略找到可以应用的规则。正向链的策略是寻找出前提可以同数据库中的事实或断言相匹配的那些规则，并运前提可以同数据库中的事实或断言相匹配的那些规则，并运3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念用冲突的消除策略，从这些都可满足的规则中挑选出一个用冲突的消除策略，从这些都可满足的规则中挑选出一个执行，从而改变原来数据库的内容。这样反复地进行寻执行，从而改变原来数据库的内容。这样反复地进行寻找，直到数据库的事实与目标一致即找到解答，或者到没找，直到数据库的事实与目标一致即找到解答，或者到没有规则可以与之匹配时才停止。逆向链的策略是从选定的有规则可以与之匹配时才停止。逆向链的策略是从选定的目标出

13、发，寻找执行后果可以达到目标的规则；如果这条目标出发，寻找执行后果可以达到目标的规则；如果这条规则的前提与数据库中的事实相匹配，问题就得到解决；规则的前提与数据库中的事实相匹配，问题就得到解决；否则把这条规则的前提作为新的子目标，并对新的子目标否则把这条规则的前提作为新的子目标，并对新的子目标寻找可以运用的规则，执行逆向序列的前提，直到最后运寻找可以运用的规则，执行逆向序列的前提，直到最后运用的规则的前提可以与数据库中的事实相匹配，或者直到用的规则的前提可以与数据库中的事实相匹配，或者直到3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念没有规则再可以应用时，系统便以对话形式请求用户回答没有

14、规则再可以应用时，系统便以对话形式请求用户回答并输入必需的事实。并输入必需的事实。 专家系统和常规程序的区别：专家系统和常规程序的区别： 常规程序常规程序=数据结构数据结构+算法；专家系统算法；专家系统=知识知识+推理。推理。 常规程序将其知识组织为两级：数据级，程序级。专家常规程序将其知识组织为两级：数据级，程序级。专家系统将其知识组织为三级：数据级，知识库级，控制级。系统将其知识组织为三级：数据级，知识库级，控制级。 常规程序一般是通过查找或计算来求取问题的答案，基常规程序一般是通过查找或计算来求取问题的答案，基本上是面向数值计算和数据处理的，而且给出了问题的求本上是面向数值计算和数据处理

15、的，而且给出了问题的求解步骤；而专家系统是通过推理来求取问题的答案或证明解步骤；而专家系统是通过推理来求取问题的答案或证明某个假设，给出的是要求解的问题，本质上是面向符号处某个假设，给出的是要求解的问题，本质上是面向符号处3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念理的，其推理过程随着情况的变化而变化，具有不确定性理的，其推理过程随着情况的变化而变化，具有不确定性和灵活性。和灵活性。 常规程序处理的数据多是精确的，对数据的检索是基于常规程序处理的数据多是精确的，对数据的检索是基于模式的布尔匹配；而专家系统处理的数据及知识大多是不模式的布尔匹配；而专家系统处理的数据及知识大多是不精确的、

16、模糊的、知识的模式匹配也多是不精确的，需要精确的、模糊的、知识的模式匹配也多是不精确的，需要为其设定阈值。为其设定阈值。 常规程序一般不具有解释功能，而专家系统一般具有解常规程序一般不具有解释功能，而专家系统一般具有解释机构，可对自己的行为和结论作出解释。释机构，可对自己的行为和结论作出解释。 两者具有不同的体系结构。两者具有不同的体系结构。3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念（5）专家系统的特点专家系统的特点 1 1）从处理的问题性质看）从处理的问题性质看, , 专家系统善于解决那些不专家系统善于解决那些不确定性的、确定性的、 非结构化的、没有算法解或虽有算法解但非结构化的、

17、没有算法解或虽有算法解但在现有的机器上无法实施的困难问题。例如在现有的机器上无法实施的困难问题。例如, ,医疗诊断、医疗诊断、地质勘探、天气预报、市场预测、管理决策、军事指地质勘探、天气预报、市场预测、管理决策、军事指挥等领域的问题。挥等领域的问题。 2 2）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专家系统则是靠知识和推理来解决问题来解决问题( (不像传统软件系统使用固定的算法来解决不像传统软件系统使用固定的算法来解决问题问题), ), 所以所以, , 专家系统是基于知识的智能问题求解系专家系统是基于知识的智能问题求解系统。统。3.1 3.1 专家系统的基本概念专家

18、系统的基本概念 3 3）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专家系统则强调知识与推理的分离分离, , 因而系统具有很好的灵活性和可扩充性。因而系统具有很好的灵活性和可扩充性。 4 4）专家系统一般还具有解释功能）专家系统一般还具有解释功能, , 即在运行过程中一即在运行过程中一方面能回答用户提出的问题方面能回答用户提出的问题, ,另一方面还能对最后的输另一方面还能对最后的输出出( (结论结论) )或处理问题的过程作出解释。或处理问题的过程作出解释。 5 5）有些专家系统还具有）有些专家系统还具有“自学习自学习”能力能力, , 即不断对自即不断对自己的知识进行扩充

19、、完善和提炼。这一点是传统系统己的知识进行扩充、完善和提炼。这一点是传统系统所无法比拟的。所无法比拟的。 6 6）专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘）专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘, ,易受环境、易受环境、情绪等的影响情绪等的影响, , 它可始终如一地以专家级的高水平求它可始终如一地以专家级的高水平求3.1 3.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念 解问题。因此解问题。因此, , 从这种意义上讲从这种意义上讲, ,专家系统可以超过专专家系统可以超过专家本人。家本人。3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构 专家系统与传统的计算机程序系统有着完全不同专家系统与传统的计算机

20、程序系统有着完全不同的体系结构，通常它由知识库、推理机、综合数据库、的体系结构，通常它由知识库、推理机、综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机接口等几个基本的、知识获取机制、解释机制和人机接口等几个基本的、独立的部分所组成，其中尤以知识库与推理机相互分独立的部分所组成，其中尤以知识库与推理机相互分离而别具特色。专家系统的体系结构随专家系统的类离而别具特色。专家系统的体系结构随专家系统的类型、功能和规模的不同，而有所差异。型、功能和规模的不同，而有所差异。 3.1.1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构（1）专家系统的结构专家系统的结构接口知识库解释器计划议程中间解调

21、度器协调器执行器用户黑板推理机知识库推理机专家知识输入或提问答案理想专家系统的结构图专家系统的简化结构图3.1.1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构1）专家系统的）专家系统的概念概念结构结构3.1.1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构2）专家系统的）专家系统的理想理想结构结构3.1.1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构3）专家系统的）专家系统的实际结构示例实际结构示例 3.1.1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构4）地质图件绘制智能辅助系统结构）地质图件绘制智能辅助系统结构 3.1.

22、1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构5）专家系统的）专家系统的黑板结构黑板结构 3.1.1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构6）网络与分布式结构网络与分布式结构3.1.1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构（2）专家系统的主要组成部分专家系统的主要组成部分1）知识库（）知识库（knowledge base） 知识库用于存储某领域专家系统的专门知知识库用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可行操作与规则等。为了建立知识识，包括事实、可行操作与规则等。为了建立知识库，要解决知识获取和知识表示问题。知识获取涉库，

23、要解决知识获取和知识表示问题。知识获取涉及知识工程师及知识工程师(konwledge engineer)如何从专家如何从专家那里获得专门知识的问题；知识表示则要解决如何那里获得专门知识的问题；知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识的问题。用计算机能够理解的形式表达和存储知识的问题。 2）综合数据库（）综合数据库（global database） 综合数据库又称全局数据库或总数据库，它用综合数据库又称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的3.1.1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一

24、般结构 中间数据中间数据(信息信息)，即被处理对象的一些当前事实。，即被处理对象的一些当前事实。 3）推理机（）推理机（reasoning machine） 推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。推理机能使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。成的答案。4）解释器（）解释器（explanator） 解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解释释推理结论

25、的正确性以及系统输出其它候选解的原因。推理结论的正确性以及系统输出其它候选解的原因。 3.1.1 3.1.1 专家系统的定义与一般结构专家系统的定义与一般结构 5）接口（）接口（interface） 接口是人与系统进行信息交流的媒介，它为接口是人与系统进行信息交流的媒介，它为用户提供了直观方便的交互作用手段。接口的功能是用户提供了直观方便的交互作用手段。接口的功能是识别与解释用户向系统提供的命令、问题和数据等信识别与解释用户向系统提供的命令、问题和数据等信息，并把这些信息转化为系统的内部表示形式。另一息，并把这些信息转化为系统的内部表示形式。另一方面，接口也将系统向用户提出的问题、得出的结果方

26、面，接口也将系统向用户提出的问题、得出的结果和作出的解释以用户易于理解的形式提供给用户。和作出的解释以用户易于理解的形式提供给用户。3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤一、一、专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤 成功地建立系统的关键成功地建立系统的关键在于尽可能早地着手建立系在于尽可能早地着手建立系统，从一个比较小的系统开统，从一个比较小的系统开始，逐步扩充为一个具有相始，逐步扩充为一个具有相当规模和日臻完善的试验系当规模和日臻完善的试验系统。统。 3.1 专家系统的基本概念3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤（1）设计初始化知识库设计初始化知

27、识库 1 1）问题知识化）问题知识化 即辨别所研究问题的实质，如要解决的任务是什即辨别所研究问题的实质，如要解决的任务是什么，它是如何定义的，可否把它分解为子问题或子任么，它是如何定义的，可否把它分解为子问题或子任务，包含哪些典型数据等。务，包含哪些典型数据等。 2 2）知识概念化）知识概念化 即概括知识表示所需要的关键概念及其关系，如即概括知识表示所需要的关键概念及其关系，如数据类型、已知条件（状态）和目标（状态）、提出数据类型、已知条件（状态）和目标（状态）、提出的假设以及控制策略等。的假设以及控制策略等。 3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤 3 3）概念形式化）

28、概念形式化 即确定用来组织知识的数据结构形式，应用人工即确定用来组织知识的数据结构形式，应用人工智能中各种知识表示方法把与概念化过程有关的关键智能中各种知识表示方法把与概念化过程有关的关键概念、子问题及信息流特性等变换为比较正式的表达，概念、子问题及信息流特性等变换为比较正式的表达，包括假设空间、过程模型和数据特性等。包括假设空间、过程模型和数据特性等。 4 4）形式规则化）形式规则化 即编制规则、把形式化了的知识变换为由编程语即编制规则、把形式化了的知识变换为由编程语言表示的可供计算机执行的语句和程序。言表示的可供计算机执行的语句和程序。 5 5）规则合法化规则合法化 即确认规则化了的知识的

29、合理性，检验规则的有即确认规则化了的知识的合理性，检验规则的有3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤 效性。效性。 （2）原型机的开发与试验原型机的开发与试验 在选定知识表达方法之后，即可着手建立整个系在选定知识表达方法之后，即可着手建立整个系统所需要的试验子集，它包括整个模型的典型知识，统所需要的试验子集，它包括整个模型的典型知识，而且只涉及与试验有关的足够简单的任务和推理过程。而且只涉及与试验有关的足够简单的任务和推理过程。（3）知识库的改进与归纳知识库的改进与归纳 反复对知识库及推理规则进行改进试验，归纳反复对知识库及推理规则进行改进试验，归纳出更完善的结果。出更完

30、善的结果。3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤二、知识库设计举例二、知识库设计举例 医疗诊断知识库层次结构医疗诊断知识库层次结构3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤三、专家系统的设计技巧三、专家系统的设计技巧 设计系统的许多工作，是由知识工程师来负担设计系统的许多工作，是由知识工程师来负担的，知识工程师要抽取专家的知识，把它表示成适合的，知识工程师要抽取专家的知识，把它表示成适合于计算机储存的形式。虽然这个问题始终是一个技巧，于计算机储存的形式。虽然这个问题始终是一个技巧，但也有一些对指导建立初始的实验系统有用的准则。但也有一些对指导建立初始的实

31、验系统有用的准则。这些准则有：这些准则有： (1) 设计系统时，首先集中精力研究一小部分假设，以设计系统时，首先集中精力研究一小部分假设，以及下述的观测或观察，也就是说，在设计实验系统时，及下述的观测或观察，也就是说，在设计实验系统时，先不要考虑那些不十分确定的事物。使用一部分结论，先不要考虑那些不十分确定的事物。使用一部分结论，只取那些确实可信的观察和肯定的规则。只取那些确实可信的观察和肯定的规则。 (2) 挑选那些最有利于区别各个假设的观测。也就是挑选那些最有利于区别各个假设的观测。也就是3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤 说，应用这些观测可以把各种假设完全区分开

32、来。说，应用这些观测可以把各种假设完全区分开来。 (3) 在许多情况下，为得到许多所需的结论，可以有许在许多情况下，为得到许多所需的结论，可以有许多方式来组合观测。在决定规则时，首先从确认或区多方式来组合观测。在决定规则时，首先从确认或区分各种假设所需的数量最少的观测组合开始。分各种假设所需的数量最少的观测组合开始。 (4) 把那些并不具有很强的预测或区别能力的观测组合把那些并不具有很强的预测或区别能力的观测组合起来，以便通过观测或结论之间的依赖关系来改善这起来，以便通过观测或结论之间的依赖关系来改善这些观测的区别能力。些观测的区别能力。 (5) 建立中间假设。引入中间假设的目的是为了减少规建

33、立中间假设。引入中间假设的目的是为了减少规则数量和简化推理过程。例如，由观测的组合可以产则数量和简化推理过程。例如，由观测的组合可以产生中间假设组合生中间假设组合H1、H2和和H3。利用这些中间假设的。利用这些中间假设的组合合取组合合取(H1H2H3)可以减少产生式规则组合的可以减少产生式规则组合的增增3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤 长率。同时，还可以采取以下的做法：先独立地确定长率。同时，还可以采取以下的做法：先独立地确定中间假设中间假设H，然后在进一步的推理中，利用，然后在进一步的推理中，利用H的肯定或的肯定或否定，而不是始终以事实来推理。否定，而不是始终以事

34、实来推理。 (6) 以各种事例来试验所设计的系统。研究那些产生不以各种事例来试验所设计的系统。研究那些产生不准确结论的事例，并且确定系统可以做些什么修改以准确结论的事例，并且确定系统可以做些什么修改以校正错误。修改系统后要检验系统对这些事例产生的校正错误。修改系统后要检验系统对这些事例产生的结果以及系统的这些修改对其它事例的影响。结果以及系统的这些修改对其它事例的影响。 四、四、专家系统的评价专家系统的评价 一个专家系统，在建立之后，必须经过相当长一个专家系统，在建立之后，必须经过相当长时间的运行检验，不断对知识库等进行改进，使系统时间的运行检验，不断对知识库等进行改进，使系统日臻完善。专家系

35、统的性能与效益如何，则通过对专日臻完善。专家系统的性能与效益如何，则通过对专家家3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤 系统的评价，作出结论。下面讨论专家系统的评价问系统的评价，作出结论。下面讨论专家系统的评价问题。题。 (1) 评价专家系统的方法评价专家系统的方法 从本质上说，试验和评价专家系统与试验及评从本质上说，试验和评价专家系统与试验及评价专家是相同的。这是一个非常困难的问题。基本上价专家是相同的。这是一个非常困难的问题。基本上有两种方法。有两种方法。第一种是简单地启发式地利用一组例子说明系统第一种是简单地启发式地利用一组例子说明系统的性能。描述在哪些情况下系统工

36、作良好。这和人们的性能。描述在哪些情况下系统工作良好。这和人们常常靠一些医生成功地治愈的疑难病症来说明医生的常常靠一些医生成功地治愈的疑难病症来说明医生的医术非常相象。医术非常相象。3.1.2 3.1.2 专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤 第二种方法是实验的方法。这种方法强调用实第二种方法是实验的方法。这种方法强调用实验的方法来评价系统在处理各种储存在数据库中的问验的方法来评价系统在处理各种储存在数据库中的问题事例时的性能。题事例时的性能。 (2) 评价专家系统的内容评价专家系统的内容 当专家系统完成时，应对系统的各个方面都作当专家系统完成时，应对系统的各个方面都作出正式的评价，其中包括：

37、出正式的评价，其中包括：(a) 系统所作的决定和建议的质量系统所作的决定和建议的质量(b) 所用推理技术的正确性所用推理技术的正确性 (c) 人和计算机之间对话的质量人和计算机之间对话的质量 (d) 效率效率 (e) 成本效果成本效果(或工程经济分析或工程经济分析) 3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构（1）专家系统的类型专家系统的类型1 1）按用途分类）按用途分类, ,专家系统可分为：诊断型、解释型、预专家系统可分为：诊断型、解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型等测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型等几种类型。几种类型。2 2）按输出

38、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。专家系统可分为分析型和设计型。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、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。于语义网络的专家系统等。3 3）按知识分类）按知识分类, , 专家系统又可分为精确推理型和不精确专家系统又可分为精确推理型和不精确3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 推理型推理型( (如模糊专家系统如模糊专家系统) )两类。两类。4 4）按采用的技术分类）按采

39、用的技术分类, , 专家系统可分为符号推理专家系专家系统可分为符号推理专家系统和神经网络专家系统。统和神经网络专家系统。5 5）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可分为大型协同式专家系统和微专家系统。统。6 6）按结构分类可分为集中式和分布式）按结构分类可分为集中式和分布式, , 单机型和网络型单机型和网络型( (即网上专家系统即网上专家系统) )等。等。3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 一、一、 解释专家系统解释专家系统解释专家系统的任务是通过对已知信息和数据的解释专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵

40、义。解释专家系统具有下分析与解释，确定它们的涵义。解释专家系统具有下列特点：列特点：(a) 系统处理的数据量很大，而且往往是不准确系统处理的数据量很大，而且往往是不准确的、有错误的或不完全的。的、有错误的或不完全的。(b) 系统能够从不完全的信息中得出解释，并能系统能够从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设。对数据做出某些假设。(c) 系统的推理过程可能很复杂和很长，因而要求系统的推理过程可能很复杂和很长，因而要求系统具有对自身的推理过程作出解释的能力。系统具有对自身的推理过程作出解释的能力。3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 作为解释专家系统的例子

41、有语音理解、图象分析、系作为解释专家系统的例子有语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。例如，卫星图统监视、化学结构分析和信号解释等。例如，卫星图象象(云图等云图等)分析、集成电路分析、分析、集成电路分析、DENDRAL化学结化学结构分析、构分析、ELAS石油测井数据分析、染色体分类、石油测井数据分析、染色体分类、PROSPECTOR地质勘探数据解释和丘陵找水等实用地质勘探数据解释和丘陵找水等实用系统。系统。 二、预测专家系统二、预测专家系统 预测专家系统的任务是通过对过去和现在已知状况预测专家系统的任务是通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况。预测专家系统具的

42、分析，推断未来可能发生的情况。预测专家系统具有下列特点：有下列特点： 3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 (a) 系统处理的数据随时间变化，而且可能是不准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。确和不完全的。 (b) 系统需要有适应时间变化的动态模型，能够从不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，并达到快速响应的完全和不准确的信息中得出预报，并达到快速响应的要求。要求。预测专家系统的例子有气象预报、军事预测、人预测专家系统的例子有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预测和谷物产量预测等。例口预测、交通预测

43、、经济预测和谷物产量预测等。例如，恶劣气候如，恶劣气候(包括暴雨、飓风、冰雹等包括暴雨、飓风、冰雹等)预报、战场预报、战场前景预测和农作物病虫害预报等专家系统。前景预测和农作物病虫害预报等专家系统。 三、诊断专家系统三、诊断专家系统3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 诊断专家系统的任务是根据观察到的情况诊断专家系统的任务是根据观察到的情况(数据数据)来来推断出某个对象机能失常推断出某个对象机能失常(即故障即故障)的原因。诊断专家系统的原因。诊断专家系统具有下列特点：具有下列特点： (a) 能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以能够了解被诊断对象或客体各组成

44、部分的特性以及它们之间的联系。及它们之间的联系。 (b) 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。 (c) 能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中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。得出尽可能正确的诊断。诊断专家系统的例子特别多，有医疗诊断，电子机诊断专家系统的例子特别多，有医疗诊断，电子机械和软件故障诊断以及材料失效诊断等。用于抗生素治械和软件故障诊断以及材料失效诊断等。用于抗生素治疗的疗的MYCIN、肝功能检验的、肝功能检验的PUFF、青光眼治疗的、青光眼治疗的3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类

45、型及其结构 CASNET、内科疾病诊断的、内科疾病诊断的INTERNIST-I和血清蛋白和血清蛋白诊断等医疗诊断专家系统，诊断等医疗诊断专家系统，IBM公司的计算机故障诊断公司的计算机故障诊断系统系统DART/DASD，火电厂锅炉给水系统故障检测与诊，火电厂锅炉给水系统故障检测与诊断系统、雷达故障诊断系统和太空站热力控制系统的故断系统、雷达故障诊断系统和太空站热力控制系统的故障检测与诊断系统等、都是国内外颇有名气的实例。障检测与诊断系统等、都是国内外颇有名气的实例。 四、设计专家系统四、设计专家系统设计专家系统的任务是根据设计要求，求出满足设设计专家系统的任务是根据设计要求，求出满足设计问题约

46、束的目标配置。设计专家系统具有如下特点：计问题约束的目标配置。设计专家系统具有如下特点： 3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 (a) 善于从多方面的约束中得到符合要求的设善于从多方面的约束中得到符合要求的设计结果。计结果。 (b) 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。 (c) 善于分析各种子问题，并处理好子问题间的相善于分析各种子问题，并处理好子问题间的相互作用。互作用。 (d) 能够试验性地构造出可能设计，并易于对所能够试验性地构造出可能设计，并易于对所得设计方案进行修改。得设计方案进行修改。 (e) 能够使用已被证明是正确的设计来解

47、释当前的能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的(新的新的)设计。设计。 设计专家系统涉及电路设计专家系统涉及电路(如数字电路和集成电路如数字电路和集成电路)设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、机械产设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、机械产3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 品设计和生产工艺设计等。比较有影响的专家设计品设计和生产工艺设计等。比较有影响的专家设计系统有系统有VAX计算机结构设计专家系统计算机结构设计专家系统R1(XCOM)、浙、浙江大学的花布立体感图案设计和花布印染专家系统、江大学的花布立体感图案设计和花布印染专家系统、大规模集成电路

48、设计专家系统以及齿轮加工工艺设计大规模集成电路设计专家系统以及齿轮加工工艺设计专家系统等。专家系统等。 五、规划专家系统五、规划专家系统规划专家系统的任务在于寻找出某个能够达到给规划专家系统的任务在于寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。规划专家系统的特点如下：定目标的动作序列或步骤。规划专家系统的特点如下： (a) 所要规划的目标可能是动态的或静态的，因而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。需要对未来动作做出预测。3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 (b) 所涉及的问题可能很复杂，要求系统能抓住重所涉及的问题可能很复杂，要求

49、系统能抓住重点，处理好各子目标间的关系和不确定的数据信息，点，处理好各子目标间的关系和不确定的数据信息，并通过试验性动作得出可行规划。并通过试验性动作得出可行规划。规划专家系统可用于机器人规划、交通运输调度、规划专家系统可用于机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案规划等。比较典型的规划专家系统的例子有规划等。比较典型的规划专家系统的例子有3界界3号军号军事指挥调度系统、事指挥调度系统、ROPES机器人规划专家系统、汽车机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统以及小麦和水稻施肥专家系和火车运行调度专家系统以及小

50、麦和水稻施肥专家系统等。统等。六、监视专家系统六、监视专家系统3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 监视专家系统的任务在于对系统、对象或过程的行监视专家系统的任务在于对系统、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为进行不断观察，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。监视专行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。监视专家系统具有下列特点：家系统具有下列特点：(a) 系统应具有快速反应能力，在造成事故之前系统应具有快速反应能力，在造成事故之前及时发出警报。及时发出警报。(b) 系统发出的警报要有很高的准确性。在需

51、要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发出警报时发警报，在不需要发出警报时不得轻易发警报警报(假警报假警报)。 (c) 系统能够随时间和条件的变化而动态地处理其系统能够随时间和条件的变化而动态地处理其输入信息。输入信息。3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 监视专家系统可用于核电站的安全监视、防空监视监视专家系统可用于核电站的安全监视、防空监视与警报、国家财政的监控、传染病疫情监视及农作物与警报、国家财政的监控、传染病疫情监视及农作物病虫害监视与警报等。粘虫测报专家系统是监视专家病虫害监视与警报等。粘虫测报专家系统

52、是监视专家系统的一个实例。系统的一个实例。 七、控制专家系统七、控制专家系统控制专家系统的任务是自适应地管理一个受控对控制专家系统的任务是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。象或客体的全面行为，使之满足预期要求。 控制专家系统的特点为：能够解释当前情况，控制专家系统的特点为：能够解释当前情况，预测未来可能发生的情况，诊断可能发生的问题及其预测未来可能发生的情况，诊断可能发生的问题及其原因，不断修正计划，并控制计划的执行。也就是说，原因，不断修正计划，并控制计划的执行。也就是说，3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 控制专家系统具有解释、预

53、报、诊断、规划和执控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。行等多种功能。空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和生产质量控制等都是控制专战管理、生产过程控制和生产质量控制等都是控制专家系统的潜在应用方面。例如，已经对海、陆、空自家系统的潜在应用方面。例如，已经对海、陆、空自主车、生产线调度和产品质量控制等课题进行控制专主车、生产线调度和产品质量控制等课题进行控制专家系统的研究。家系统的研究。 八、调试专家系统八、调试专家系统 调试专家系统的任务是对失灵的对象给出处理调试专家系统的任务是对失灵的对象给出处理意见和方

54、法。调试专家系统的特点是同时具有规划、意见和方法。调试专家系统的特点是同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。调试专家系统设计、预报和诊断等专家系统的功能。调试专家系统可可3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 用于新产品或新系统的调试，也可用于维修站进用于新产品或新系统的调试，也可用于维修站进行被修设备的调整、测量与试验。在这方面的实例还行被修设备的调整、测量与试验。在这方面的实例还很少见。很少见。 九、教学专家系统九、教学专家系统教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生

55、进行教基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。学和辅导。教学专家系统的特点为：教学专家系统的特点为：(a) 同时具有诊断和调试等功能。同时具有诊断和调试等功能。(b) 具有良好的人机界面。具有良好的人机界面。 3.2 3.2 专家系统的主要类型及其结构专家系统的主要类型及其结构 已经开发和应用的教学专家系统有美国麻省理工已经开发和应用的教学专家系统有美国麻省理工学院的学院的MACSYMA符号积分与定理证明系统，我国一符号积分与定理证明系统，我国一些大学开发的计算机程序设计语言和物理智能计算机些大学开发的计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等。

56、辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等。十、修理专家系统十、修理专家系统修理专家系统的任务是对发生故障的对象修理专家系统的任务是对发生故障的对象(系统或系统或设备设备)进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。美国贝尔实验室有诊断、调试、计划和执行等功能。美国贝尔实验室的的ACI电话和有线电视维护修理系统是修理专家系统电话和有线电视维护修理系统是修理专家系统的一个应用实例。的一个应用实例。 此外，还有决策专家系统和咨询专家系统等。此外，还有决策专家系统和咨询专家系统等。3.2.1 3.2.1 基于规则的专家系统基于规则

57、的专家系统(1) 基于规则专家系统的工作模型基于规则专家系统的工作模型知识库 （规则）工作存储器（事实）推理机3.2.1 3.2.1 基于规则的专家系统基于规则的专家系统1) 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。2）工作存储器：）工作存储器：建立人的短期存储器模型，存放问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。题事实和由规则激发而推断出的新事实。3）推理机：）推理机：借助于把存放在工作存储器内的问题事借助于把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，建立人的推实和存放在知识库内的规则结合起来，建立人的推

58、理模型，以推断出新的信息。理模型，以推断出新的信息。 解释器解释器用户界面用户界面开发界面开发界面外部程序外部程序工作存储器工作存储器推理机知识库知识库用户用户知识工程师知识工程师3.2.1 3.2.1 基于规则的专家系统基于规则的专家系统(2) 基于规则专家系统的结构基于规则专家系统的结构3.2.1 3.2.1 基于规则的专家系统基于规则的专家系统1） 用户界面（接口）：用户通过该界面来观察系统，用户界面（接口）：用户通过该界面来观察系统， 并与系统对话（交互）。并与系统对话（交互）。 2）开发界面：知识工程师通过该界面对专家系统进）开发界面：知识工程师通过该界面对专家系统进行开发。行开发。

59、 3）解释器：对系统的推理提供解释。）解释器：对系统的推理提供解释。4）外部程序：如数据库、扩展盘和算法等，对专家）外部程序：如数据库、扩展盘和算法等，对专家系统的工作起支持作用。系统的工作起支持作用。 3.2.1 3.2.1 基于规则的专家系统基于规则的专家系统3.2.1 3.2.1 基于规则的专家系统基于规则的专家系统（3）基于规则的专家系统举例基于规则的专家系统举例 使用事实和规则的使用事实和规则的AI推理技术的最成功应用之一推理技术的最成功应用之一是建立专家系统，专家系统包含了人类努力探索的一是建立专家系统，专家系统包含了人类努力探索的一个专门领域的知识，如医疗、教育、工程和商业等。个

60、专门领域的知识，如医疗、教育、工程和商业等。 EMYCIN中，采用的是逆向链深度优先的控制策中，采用的是逆向链深度优先的控制策略，它提供了专门的规则语言来表示领域知识，基本略，它提供了专门的规则语言来表示领域知识，基本的规则形式是：的规则形式是：(IF前提前提THEN行为行为ELSE行为行为) 当前提为真时，该规则将前提与一个行为结合起当前提为真时，该规则将前提与一个行为结合起来，否则与另一个行为结合起来，并且可以用一个来，否则与另一个行为结合起来，并且可以用一个-1到到+1之间的数字来表示在该前提下行为的可信程度。之间的数字来表示在该前提下行为的可信程度。如一条判断细菌类别的规则可表示如下：