高中AI课程教学内容之一

1、高中高中AIAI课程教学内容之一：课程教学内容之一：主讲：张家华主讲：张家华E-mail: 浙江师范大学教师教育学院浙江师范大学教师教育学院福建省高中新课程福建省高中新课程信息技术信息技术学科学科骨干教师省级培训骨干教师省级培训2内容提要v专家系统概述什么是专家系统专家系统的分类 专家系统的构成 v专家系统的工作原理 正向推理和反向推理 不精确推理 专家系统的解释功能 v专家系统的开发专家系统外壳的使用3专家系统的概念专家系统(Expert System)是一个具有智能特点的计算机软件（系统）。它使用了人类某个领域的专家知识，并将这些知识通过编程嵌入到计算机内部；计算机嵌入了这些知识后，可以通

2、过友好的用户界面同用户进行交流，并允许用户向计算机提出一些问题。v它是一个智能程序系统；v它拥有专家知识；v模拟领域专家求解问题的思维过程进行推理，解决某一领域中的复杂问题。4专家系统与传统程序的区别v 从编程思想看：传统程序=数据结构+算法; 专家系统=知识+推理v 传统程序把关于问题求解的知识隐含于程序中，而专家系统则将知识（知识库）与运用知识的过程(推理机)分离开来；v 传统程序主要面向数值计算和数据处理，专家系统则面向符号处理；v 传统程序一般不具有解释功能，而专家系统有解释机构；v 传统程序与专家系统具有不同的结构；v 传统程序根据算法能产生正确答案，而专家系统则可能会产生错误的答案

3、；v传统程序一般都有算法解，而专家系统经常要在不完全、不精确、不确定的信息基础上作出结论。5专家系统的分类 类别类别功能作用功能作用应用应用预测型专家系统预测型专家系统（Expert Systemfor Prediction）主主要要对对处处理理对对象象的的过过去去和和现现在在的的数数据据进进行行分分析析，并并由由此此来来推推测未来的演变和发展。测未来的演变和发展。气气象象预预报报、军军事事预预测测、人人口口预预测测、交交通通预预测测、财财政政预预测测、经经济济发发展预测、农作物预测等展预测、农作物预测等解释型专家系统解释型专家系统（Expert SystemforInterpretation

4、）对对 已已 知知 的的 信信息息 或或数数 据据进进 行行分分析析，解解释释这这些些信信息息和和数数据据的的实实际含义。际含义。卫卫星星图图像像分分析析、集集成成电电路路分分析析、石石油油测测井井数数据据分分析析、染染色色体体分分类类等等诊断型专家系统诊断型专家系统（Expert Systemfor Diagnosis）根根据据输输入入的的信信息息找找出出处处理理对对象象存存在在的的故故障障及及其其原原因因，并并能能给给出一定的建议出一定的建议医医疗疗诊诊断断、电电子子或或机机械械以以及及材材料料失效诊断失效诊断教学型专家系统教学型专家系统（Expert Systemfor Instruct

5、ion）根根据据学学生生的的特特点点和和学学习习背背景景，以以适适当当的的教教学学方方法法和和教教案案将将知知识识点点组组织织起起来来，用用于于对对学学生生进进行行教教学学和和辅辅导导、诊诊断断调调整整学学生生在学习过程中的行为。在学习过程中的行为。一一些些计计算算机机辅辅助助教教学学（CAI）系系统统、聋聋哑哑人人语语言言训训练练系系统统以以及及完完成其他一些教育与培训任务成其他一些教育与培训任务6专家系统的分类设计型专家系统设计型专家系统（Expert Systemfor Design）根根据据任任务务要要求求，计计算算出出满满足足设设计计问问题题约约束束的的目目标标配配置。置。工工程程设

6、设计计、电电路路设设计计、建建筑筑及及装装修修设设计计、服服装装设设计计、机机械设计及图案设计械设计及图案设计规划型专家系统规划型专家系统（Expert Systemfor Planning）按按给给定定目目标标拟拟定定总总体体规规划划、行行动动计计划划、运运筹筹优优化化等等。机机器器人人动动作作控控制制、工工程程规规划划、军军事事规规划划、城城市市规规划划、生生产规划等。产规划等。控制型专家系统控制型专家系统（Expert Systemfor Control）根根据据具具体体情情况况，控控制制整整个个系系统统的的行行为为，适适用用于于对对各各种种大大型型设设备备及及系系统统进进行行控控制。制

7、。代代 表表 性性 的的 专专 家家 系系 统统 有有YES/MVS（帮帮助助监监控控和和控控制制MVS操作系统的专家系统）操作系统的专家系统）监视型专家系统监视型专家系统（Expert Systemfor Monitoring）根根据据监监测测到到的的现现象象与与正正常常情情况况相相比比，及及时时作作出出相相应应的分析和处理。的分析和处理。森森林林火火警警监监视视，机机场场监监视视，如如REACTOR（帮帮助助操操作作人人员员检检测测和和处处理理核核反反应应堆堆事事故故的专家系统）。的专家系统）。维护型专家系统维护型专家系统（Expert Systemfor Repair）对对发发生生故故障

8、障的的系系统统、对对象象或或设设备备进进行行处处理理，制制定定纠纠错错方方案案，并并实实施施方方案案，使使其恢复正常。其恢复正常。调试型专家系统调试型专家系统（Expert Systemfor Debugging）根根据据相相应应的的标标准准检检测测被被测测试试对对象象存存在在的的错错误误，并并能能从从多多种种纠纠错错方方案案中中选选出出适适用用 于于 当当 前前 情情 况况 的的 最最 佳佳方方案，排除错误。案，排除错误。7专家系统的构成 一般完整的专家系统应包括人机接口、推理机、知识库、数据库、知识获取器和解释机构六部分。 人机接口人机接口解释机构解释机构知识获取机构知识获取机构数据库数据

9、库推理机推理机知识库知识库用户用户领域专家领域专家知识工程师知识工程师8专家系统的工作原理一般的专家系统是通过推理机与知识库和综合数据库的交互作用来求解领域问题的，其大致过程如下：1） 根据用户的问题对知识库进行搜索，寻找有关的知识；（匹配）2） 根据有关的知识和系统的控制策略形成解决问题的途径，从而构成一个假设方案集合；3） 对假设方案集合进行排序，并挑选其中在某些准则下为最优的假设方案；（冲突解决）4） 根据挑选的假设方案去求解具体问题；（执行）5） 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；6） 循环执行上述过程，直到问题已经解决或所有可能的求解方

10、案都不能解决问题而宣告“无解”为止。9正向推理在专家系统中，对知识应用的顺序和选择过程称为控制策略，它决定着如何推理以及采用何种推理方式。正向推理(Forward Reasoning)和反向推理(Reverse Reasoning)就是两种重要的控制策略。 苏格拉底是男人苏格拉底是男人所有男人都属于人类所有男人都属于人类人类必然要死亡人类必然要死亡苏格拉底是男人苏格拉底是男人所有男人都属于人类所有男人都属于人类人类必然要死亡人类必然要死亡苏格拉底是人类苏格拉底是人类苏格拉底是男人苏格拉底是男人所有男人都属于人所有男人都属于人类类人类必然要死亡人类必然要死亡苏格拉底是人类苏格拉底是人类苏格拉底必

11、然要死苏格拉底必然要死亡亡苏格拉底苏格拉底是人类是人类最终状态最终状态人类必然要死亡人类必然要死亡苏格拉底是人类苏格拉底是人类苏 格 拉 底苏 格 拉 底必 然 要 死必 然 要 死亡亡10正向推理上例中，知识库中的规则：IF 苏格拉底=TURE THEN 男人=TURE.IF 男人=TURE THEN 人类=TURE.IF 人类=TURE THEN 会死的=TURE. 11正向推理解释机构：顺序规则建议取得由来。 显示:会死的 = TRUE应用规则:IF 人类 = TRUETHEN 会死的 = TRUE . 显示:男人 = TRUE应用规则:IF 苏格拉底 = TRUETHEN 男人 = T

12、RUE . 显示:人类 = TRUE应用规则:IF 男人 = TRUETHEN 人类 = TRUE .你说:苏格拉底 = TRUE 建议证实.12正向推理推理机的工作过程如下：推理机将知识库中的规则前提与这些事实进行匹配；一般是将每条规则的取出来，验证这些前提是否在数据库中，若都在，则匹配成功；不然的话，则取下一条规则进行匹配。把匹配成功的规则的作为新的事实添加到综合数据库中。用更新后的综合数据库中的事实，重复上面两个步骤，直到某个事实就是意想中的结论或是不再有新的事实产生为止。13正向推理开始令I1取出规则I的前件这些前提都在数据库中吗取出规则I的结论这些结论是新事实吗？将这些结论加入数据库

13、，并记下规则I还能产生新事实吗令II1结束是是否否否能否14正向推理IF 该动物用乳汁哺育幼子 = true THEN 哺乳动物 = true .IF 该动物有毛发 = trueTHEN 哺乳动物 = true .IF 该动物会吃肉 = trueTHEN 食肉动物 = true .IF 该动物有犬齿 = true AND 该动物有爪 = true AND 该动物眼视前方 = trueTHEN 食肉动物 = true .IF 哺乳动物 = true AND 该动物有蹄 = trueTHEN 蹄类动物 = true .IF 哺乳动物 = true AND 该动物是反刍动物 = trueTHEN 蹄

14、类动物 = true .IF 哺乳动物 = true AND 食肉动物 = true AND有暗斑点 = trueTHEN 该动物是金钱豹 = true .IF 哺乳动物 = true AND 食肉动物 = true AND 有黑色条纹 = trueTHEN 该动物是老虎 = true .IF 蹄类动物 = true AND 有黑色条纹 = trueTHEN 该动物是斑马 =true .IF 蹄类动物 = true AND 有长脖子= true AND 有长腿 = true THEN 该动物是长颈鹿 =true .有毛发会吃肉有暗斑点有毛发会吃肉有暗斑点哺乳动物有毛发会吃肉有暗斑点哺乳动物食肉

15、动物有毛发会吃肉有暗斑点哺乳动物食肉动物金钱豹该动物 是 金 钱豹在右例中，用图说明了正向推理的过程。在推理过程中，会同时推出几个结论。如：有毛发、会吃肉、有斑点首推出金钱豹有黑色条纹推出老虎有蹄推出斑马15反向推理 反向推理(Reverse Reasoning)就是用户或系统提出一些假设，然后系统来验证这些假设的真假性。它的推理过程可以理解为从目标出发，反向使用规则进行推理。其具体过程如下：1) 看假设是否在综合数据库当中,若在，则假设成立，推理结束或进行下一个假设的验证，否则，进行下一步。2) 判断这些假设是不是证据结点，若是，系统向用户提问。否则进入下一步。3)找出结论部分包含这些假设的

16、规则，把这些规则的所有前提作为新的假设。重复1、2、3步。 16反向推理开始提出假设此假设还在数据库中吗找出结论部分包含此假设的那些规则找出规则之一的1个前提作为新的假设此假设是否是证据节点此假设成立向用户提问有此事实否？将事实记录数据库结束结束在是有无或或否否17反向推理哺乳动物哺乳动物食肉动物食肉动物该动物是金钱豹该动物是金钱豹该动物用乳汁哺育幼子？该动物用乳汁哺育幼子？该动物会吃肉？该动物会吃肉？有暗斑点？有暗斑点？18不精确推理 不确定推理，又称不精确推理（Inexact Reasoning）,是指由于证据的不确定、规则的不确定或研究方法的不确定，导致推理的结果的不确定。表示不确定信息

17、的基本思想就是：将推理过程中所涉及的“事实”和“规则”都赋上一个“可信度因子”，即事实或规则的确信程度。可信度因子一般可以取闭区间1,1中的任何一个值，如果完全确定的话可信度因子就是1，完全否定则取1。19不精确推理通常我们用CF来表示可信度。例如，规则： ifAthenB CF(B,A)设：CF（A）表示前提条件A的可信度；CF（B）表示结论B的可信度；CF（B，A）表示从A推出B的可信度（可能性），即该规则的可信度。n 前提为单个条件时CF（B）= CF(B,A)CF(A)例如，规则的可信度为100%，即CF（B，A）=1，则CF（B）=CF（A）。 20不精确推理n 前提条件以“AND”

18、连接时如果前提A以“AND”连接了多个条件，例如A（A1A2A3），则取前提条件中可信度的最小值作为A的可信度。CF（A）=CF（A1A2A3）min(CF(A1),CF(A2),CF(A3)CF(B)=CF(B,A)CF(A)= =CF(B,A)min(CF(A1),CF(A2),CF(A3) 21不精确推理n 前提条件以“OR”连接时如果前提A以“OR”连接了多个条件，例如A（A1 A2A3），则取多个条件中可信度的最大值作为A的可信度。CF（A）CF（A1A2A3）max(CF(A1),CF(A2),CF(A3)CF(B)=CF(B,A)CF(A)= CF(B,A)max(CF(A1),CF(A2),CF(A3) 22不精确推理金钱豹金钱豹哺乳动物哺乳动物食肉动物食肉动物该动物用该动物用乳汁哺育乳汁哺育幼子？幼子？0.8该动物会该动物会吃肉？吃肉？0.9该动物有该动物有暗斑点？暗斑点？10.50.950.6例：试求得出结论“金钱豹”的可信度，即计算CF（金钱豹）。23不精确推理提示：CF(哺乳动物)=CF(a)CF(用乳汁哺育幼子)=0.50.8=0.4CF(食肉动物)=CF(b)CF(会吃肉)=0.950.9=0.855CF(金钱豹)= CF(c)min(CF(哺乳动物),CF(食肉动物),CF(有暗斑点)=0.60.4=0.24所以，得出结论“金钱