人工智能报告 专家系统的新发展及其应用

1、专家系统的新发展及其应用【摘要】：随着我国国民经济的快速发展，为了满足各个领域的发展，人工智能应用领域得到了快速发展。专家系统就是人工智能领域的一个组成部分。本文主要论述专家系统的发展过程，讨论它在各个领域的应用，及其发展趋势。【关键词】：专家系统；人工智能；应用；发展Abstract：With the rapid development of China's national economy, in order to meet the development of various areas .Artificial intelligence applications have bee

2、n developing rapidly. Expert system is an integral part of the field of artificial intelligence. This paper discusses the development of expert systems, and discuss its applications, and its development trends in various fields.Keywords：expert system,artificial intelligence,application,development t

3、rends一、导言专家系统（ES）是人工智能领域最活跃和最广泛的领域之一1。自从1965年第一个专家系统Dendral在美国斯坦福大学问世以来，经过40年的开发，各种专家系统已遍布各个专业领域。目前，专家系统得到了更广泛的应用，并在应用开发中得到进一步发展。调查显示，专家系统主要应用在商业和工业领域，约占60%。在英国的调查也显示，24%的专家系统服务于财政部门。这表明专家系统正以信息处理的主流兴起，代替传统的数据处理器。按照发展阶段的不同，可以将ES分为如下5个阶段：基于规则的、基于框架的、基于案例的、基于模型的、基于Web的。二、专家系统简介专家系统定义为：使用人类专家推理的计算机模型来处

4、理现实世界中需要专家作出解释的复杂问题，并得出与专家相同的结论2。简言之，专家系统可视作“知识库”和“推理机”的结合，如图1所示。显然，知识库是专家的知识在计算机中的映射，推理机是利用知识进行推理的能力在计算机中的映射，构造专家系统的难点也在于这两个方面。为了更好地建立知识库，兴起了“知识表示”、“知识获取”、“数据挖掘”等学科；为了更好地建立推理机，兴起了“机器推理”、“模糊推理”、“人工神经网络”、“人工智能”等学科。图1 简化专家系统专家系统的发展经历了如图2所示共5个阶段。图2 专家系统的发展从上述发展总结专家系统的发展规律，主要可分为“原理上的突破”与“技术上的突破”两大类。1）原理

5、发展由基于规则的专家系统，发展到基于案例的专家系统，再发展到最近的基于神经网络模型的专家系统，其发展规律示于表1。表1 原理发展规律可见，在知识表达层面，传统的基于规则的方式可视作经过萃取的知识；随后，人们认识到直接提取知识不仅花费大量时间，而且容易受到专家本身的不精确性影响，因此，直接将一个个成功案例记录在专家系统中，但这种未经分析的案例一般容量较大，且存在信息冗余；最后，发展为通过神经网络权值来表达的模型，网络权值可视作对知识的简单加工，反映了知识本身，但是不直接3。其次，在推理策略上，传统基于规则的方式采用IF-THEN方式，等价于神经元的反射机制（给神经元一个刺激，神经元就会做出相应的

6、反射）；随后，在基于案例的方式中，推理策略发展成为距离-权值策略，即通过计算案例库中案例与给定问题的距离，计算过往案例在新问题中的权值，这种方法等价于一种线性机制；最后，在基于神经网络模型的专家系统中，推理策略再次回归到非线性神经元方式，此时与最开始的神经元反射机制不同，不是模仿神经元的最简单的反射机制，而是模仿神经元的深层网络层次4。可见，专家系统在“知识表达”与“推理策略”上的发展，均符合“否定之否定（Negation of the negation）”的哲学发展规律。2）技术发展专家系统在技术上的发展，可视作与别的学科的交叉。表2给出了与专家系统在技术上发展上对应的交叉学科，可见，这3种

7、专家系统的发展阶段，本质上可视作与其余3类交叉学科的融合。表2 技术发展规律三、专家系统的应用专家系统在多个领域都得到了应用，包括农业、医学5、土木工程6、电力系统、军事打击7、冶金、TD-SCDMA及教育行业8这些领域。下面重点介绍专家系统在农业和电力系统的新应用。农业专家系统的应用及发展91） 农业专家系统简介农业专家系统也可叫农业智能系统，是一个具有大量农业专门知识与经验的计算机系统。它应用人工智能技术，依据一个或多个农业专家提供的特殊领域知识、经验进行推理和判断，模拟农业专家就某一复杂农业问题进行决策。典型的农业专家系统主要由知识库、数据库、模型库、推理机、知识库管理系统、解释器、用户

8、界面7个部分组成。其中，知识库和推理机是农业专家系统最核心部分，这是任何一个农业专家系统都不可缺少的组成部分。知识库的质量直接影响到农业专家系统质量及可信度;推理机是农业专家系统的运行动力。而知识库管理系统则是对知识库中的知识进行检查和检索，还可以把推理过程中使用知识的实际情况显示出来，这是数据库管理系统中所没有的。知识获取是农业专家系统开发过程中的瓶颈，其主要任务是完成领域知识的收集与整理。解释器是用来向用户，特别是专用户，解释推理的结果和在推理过程中所发生的一切。2）我国农业专家系统应用发展方向1. 以”3S”技术为核心发展我国农业专家系统 GPS ( Global Positioning

9、 System) ，即全球定位系统，通过24颗卫星可以给出任意一个地面点的精确度为厘米级的坐标值，从而能精确地确定地物的空间位置。该系统可用于耕地面积的量算和形状的测量，引导田间定位信息的采集，小区作物产量的计量，以及农业机械定位播种、施肥配方、喷药、灌溉等。GIS ( Geograp hic Information System) ，即地理信息系统，是在计算机硬、软件系统支持下对空间数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。它的操作对象是空间数据，即点、线、面、体等地理实体，按统一的地理坐标对这些实体进行编码后，就实现定位、定性和定量的描述。在农业专家系统中应用GIS ，能

10、将各类图纸(如地形图、土壤图、土地适宜性评价图、作物分布图、土地利用现状图、降水分布图等)数字化并存储于计算机，然后根据需要进行叠加、分析，得到各类专题地图，从而实现决策支持。若将土地适宜性评价图与作物分布图叠加在一起，就能知道哪些作物的分布是合适的，哪些是需要进一步调整的。利用GIS还可以生成数字地形模型DTM (Digital Terrain Mode) ，有了DTM ，就能轻松地知道地块中某一点的海拔、坡度、坡向，甚至土层厚度及地下水深度，这些数据是农业专家系统所必需的基础数据。RS (Remote Sensing) ，即遥感技术，它是快速获取大面积空间信息的主要技术手段，获得的空间信息

11、是动态的，更新很快，能对动态变化现象进行监测。对遥感图像进行预处理和分类处理之后，就可以根据图像的特征，依据地物光谱特性，采用统计概率法、模糊数学法等进行识别，提取有用的信息。RS技术在农业专家系统中主要用于农业资源的调查与监测，自然灾害及病虫害监测，作物种植面积、产量与长势监测等。”3S”技术的集成首先缓解了农业专家系统中知识源、数据源的缺乏问题，提供海量的基础数据，为专家系统基础数据库、知识库和模型库的建立提供了数据支持;其次，”3S”技术提供的数据不仅量大、全面，而且是动态的、可更新的，因而使数据库、知识库、模型库具有强大的生命力;第三，”3S”技术的集成提供大范围的信息，覆盖面广，为农

12、业专家系统的应用和推广提供了条件。2. 构建农业专家系统的技术体系 数据库技术。农业专家系统需要的信息是海量的，种类也各不相同，对数据库技术的要求也就更高，应该发展基于实体)联系模型、语义对象模型，层次、网状和分布式数据库，用以处理空间数据，支持移动计算与嵌入式计算作物模拟模型。由作物、环境、技术、经济四要素可构成作物生长整体系统，通过数学模型可模拟作物生长发育、器官生成和产量形成等生理生态过程，可分析这些生理过程与环境、技术、经济之间的数量关系，据此制定出作物高产栽培技术模型，为实现作物的高产、优质、高效提供技术支持。不精确推理推理机是专家系统的核心，面向对象的推理机既要进行精确推理，也进行

13、更多的不精确推理。目前农业专家系统中使用的不精确推理是以概率论和二值逻辑为基础的，如常用的确定性理论、主观Bayes方法，它们本身有一定的局限性，基于模糊逻辑的推理方法是未来农业专家系统主要的不精确推理方法。农业专家系统的数据库应该是共享的，因而离不开计算机通信技术。我国农村计算机网络通信虽处起步阶段，但基本上形成了以集镇为中心的有线电视光纤网络系统，只要给每个集镇配备一台装有农业专家系统的计算机，并为计算机装上视频卡，通过有线电视发射装置就可将农业专家系统送到农户的电视中，这无疑是切实可行的农业专家系统的推广方法。多媒体技术。多媒体技术以非常直观的声像综合表达形式向人们传递信息，它与农业专家

14、系统相结合，可生动地将农业信息、农业技术迅速传播出去，并能实现人机交互操作。多媒体技术的应用，扩大了原来以县、乡两级农技人员为对象的应用范围，使农业专家系统直接为广大农民群众所接受。建设区域性公共数据库共享体系。农业生产具有地域性，建立地域性基础数据库并实现共享，就能通过共享而无须每个农业专家系统都建基础数据库，减少重复建设。这些区域性公共数据库应包括地理信息数据库、气候状况数据库等等。3. 创造良好的农业专家系统应用的外部环境 目前，我国农村计算机的普及率低，由于资金、条件和培训对象文化程度等诸多因素的限制，推广和普及计算机依然存在着许多实际困难，与经济和社会发展的要求相差甚远，远远滞后于其

15、他行业，与发达国家相比更显不足，从而也影响了农业专家系统的更进一步推广应用。为此，必须从计算机技术培训入手，传播和普及计算机技术，并进一步在现有的通信技术体系中，减少农村缺乏网络服务商的服务及农民文化素质低等重大障碍，改善农民的条件。4. 加强农业领域专家和软件开发专家的结合 领域专家的知识对于专家系统的质量至关重要，足够的领域知识支撑一个专家系统解决农业实际问题的能力。知识库规模的大小和知识的层次标志着一个农业专家系统质量的高低。但一个农业专家系统是结合了农业领域专家知识和计算机领域专家知识的统一体，问题求解模型的建立、专家知识的表达、知识库与推理机的接口、以及知识检索和推理过程中系统的巨大

16、时空开销则都是软件开发专家所必须考虑的。只有两方专家的密切合作，才可能具有事半功倍的效果，才可能开发出高质量高智能的农业专家系统。5. 农业专家系统研发产业化 一种产品有无市场关键是其市场需求空间有多大。农业专家系统产业化的道路充满希望。首先，选题要针对以下几方面:农民自己解决不了的问题、农产品市场需求量大经济价值高;使用专家系统能大大节约生产成本、或者能大幅度提高产品品质等。其次，降低专家系统开发成本，提升系统的使用效率，降低系统的使用成本和维护难度，提高系统界面的友好性。最后，加大农村科学知识的普及力度和专家系统的示范推广，积极探讨有偿服务的方式。要通过机制创新，广泛调动企业等社会力量的积

17、极性。专家系统在电力系统中的应用101)在编制操作票中的应用改革开放三十多年以来，我国电力系统运行管理中一直在实行操作票制度，一般都在调度所和变电站中运行，这是非常有效的制度。它对我国整个电力系统的正常运行起到非常重要的作用，保障了操作的安全性。但是对于电力系统的工作人员来说，这是一项重复性很强又需要智慧的劳动。所以，必须开发适合各级部门的编制操作票的专家系统。其实际意义具体表现在四个方面：第一，集中具有经验和知识的专家可以保证操作票的正确性，进一步确保电力系统的安全性；第二，在提高操作票规范化的同时，也提高开票的速度，从而进一步提高操作票的管理效率，提高效益；第三，使操作票的频繁化变成简单化

18、，使工作人员更加有精力和时间处理更为复杂的运行问题；第四，操作票添加了专家系统以后，紧急控制专家系统就更加容易实现，也为后者提供基础。因此，需要利用操作票的专家系统作为整个电力系统应用专家系统的切入点和突破口，从而积累专家的知识和经验，为专家系统在电力系统中的运行奠定坚实基础。2)专家系统在电力系统故障诊断和处理中的应用在电力行业中，电力系统的故障使电力生产的安全性降低，直接影响国家的生产和民生。因此，如果电力系统发生故障，就必须要工作人员正确地诊断及快速地处理。在电力系统中，故障诊断是非常需要经验的工作，很少有数学模型，一般的软件是无法实现。由于工作人员比较容易在测量和运行中获得这些数据，但

19、是判断故障的结论是非常有限的，所以应用专家系统就比较容易实现。目前，国内电力系统的故障诊断正在大量研究专家系统，但使用率还不是很高，在国外其使用率都占到了一半以上。因此，需要国内的研发部门和生产单位加强对这方面研发和使用，提高专家系统故障诊断的使用率。在改革开发初期，能源管理系统（EMS）和监控系统（SCADA）得到世界电网系统的普遍使用，在我国电网的调度中心也有较广泛的应用，这样提高了我国电网的监控水平。但是在以后遇到这个棘手问题，当发生大范围跳闸事故时，太多的警报都亮起，使得调度工作人员发生误判，甚至漏判，导致事故扩大和重新送电时间的延长。因此，为了提高电力系统运行的安全性和可靠性，电网故

20、障诊断和调度处理专家系统应该得到广泛的应用。3)专家系统在电压无功控制中的应用随着我国国民经济和生产的快速发展，电力需求越来越大，电力系统需要快速发展，电压无功控制在电力运行中越来越重要。电压无功控制是采用某些控制手段来保证电力系统各个环节的安全性。主要有两个方面：第一，预防控制越限现象；第二，当越限出现时，电压无功控制采取措施使电力系统得到恢复。从本质来看，这两方面求解的方法是一样的，侧重点稍微有点不同。电压无功控制的控制手段首先是通过调节发电机电压，其次调节无功补偿装置，再次改变变压器分接头，然后在采用线性规划法求解，这些通过连续变量得到处理。其控制器的动作是慢速或是快速，根据设备状态来选

21、择不同的控制设备。因此，单纯地应用数学模型和求解方式是无法到达目的的，不能把电力系统的数据完整地表达出来，也不能满足实际情况。电力系统还需要专家的经验、决策和判断。专家系统在电力系统中的另一个应用是，当问题非常庞大时，需要建模与仿真来解决问题。通过传统的方式来建模，只是一个模型，而利用专家系统不光可以建模，还可运用模拟求解问题的专家的行为去解决问题，增加解决问题的灵活性，达到一种质的变化，促进电力系统技术的突破。专家系统在冶金中的应用111)专家系统在高炉中的应用对于高炉生产来说， 最重要的一点是高炉操作者能否准确判断炉况及其变化的趋势。通常情况下由操作者根据仪表、计算机系统提供的检测数据和肉

22、眼观察到的风口、渣铁情况来进行综合判断，这与操作者的经验及水平有很大关系， 存在较大的主观性和片面性。为了提高其科学性和预报的准确性，国内几大钢铁公司相继与科研院校合作开发或引进高炉专家系统， 并在铁水含硅量预报方面取得了比较满意的效果。谢俊勇、刁日升12等介绍了攀钢在 2001 年从奥钢联引进的高炉专家系统，包括专家系统模型、冶金规则及冶金诊断， 阐述了闭环或开环专家系统运行的原理及一些前提条件， 从一些实例说明了专家系统的系统诊断、建议动作等特性。该专家系统针对来料比较复杂，成分波动较大的特点，通过对高炉工艺过程的控制， 来达到炉况稳定和渣铁质量稳定的目的。它的最终目标是:在完全自动化的模

23、式下，优化这些成本因素，达到它们之间的最优组合。高炉专家系统的应用使以往定性化的操作得以定量化， 高炉操作更加准确，高炉生产更加稳定，生铁产量提高，综合焦比降低，主要技术经济指标不断得到优化，经济效益显著。黄光耀、冯其明13等开发了浮选柱控制专家系统，并利用其对浮选柱关键参数液位高度、气体表观速度、精矿淋洗水及矿浆表观速度进行调节，实现了浮选柱自动稳定控制。蒋彬、吕晓云14结合高炉工艺生产特点，通过比较引进高炉专家系统，运用炼铁工艺的计算模型和数理统计原理开发了出铁管理等符合自身特点的炉况分析与监控模式。经过实践证明该系统能准确反映高炉生产操作与运行情况，为工人提供有效的操作指导，提高了高炉的

24、各项指标，保证了高炉的运行稳定及低硅冶炼的实现。2)专家系统在矿山中的应用陈慧萍、涂序彦提出了多级专家系统的设计思想及总体结构，采用多级专家系统的结构模式实现“冶金矿山建设智能决策系统”，并分析了多级专家系统的实现问题，提出了解决问题的途径。顾秀华结合采矿设计的工艺特点，开发了一套帮助采矿设计者根据矿山资源条件进行采矿方法初选并对初选的采矿方法进行经济效益比较进而选择最佳开采方法的专家系统。该系统采用经济评价的原则通过对盈利多少的比较从而确定出了最佳开采方案，并最终运用在铜陵有色（集团）下属冬瓜山铜矿的开采上，具有很大的实用性。贺怀建、白世伟等结合江西德兴铜矿二号尾矿坝可能的稳定模式，考虑到岩

25、石的坚硬程度、结构面的结合状态以及发育程度，坝床软弱结构面特征及坝肩断层破碎带状态和渗流情况，研究了专家系统的推理机制，对德兴铜矿尾矿坝的安全监测起到了重要作用。3)专家系统在冶金其他方面的应用张瑞军、黄彦针15对烧结矿传统的试算法难以求出最优解，综合考虑品位、库存、成本、国内外矿比例等各种因素，建立了配料优化的线性规划模型，通过引入专家系统的解释器和推理机制建立基于专家系统的多角色决策支持系统。结果表明该系统在满足烧结配矿工艺条件的基础上，能降低7.97%的生产成本。马雷芬、戴旭东16提出了冶金设备在线加工技术专家系统开发的基本思想、系统结构和软件环境。阐述了系统所具备的各项功能与特点。通过

26、综合集成先进的 CAD、MIS 覆在线加工技术专家长期积累的专家知识，实现了一个从需求分析、虚拟仿真到施工方案制定的冶金设备在线加工方案实施和知识管理的计算机支持系统。该系统已在宝钢机械厂成功应用。四、结语专家系统与人工智能的完美结合使得其在各行业生产中的各个领域得到了快速发展，特别是近几年国家对高新技术的支持，以及智能化的推广，专家系统在专业领域发挥着巨大的作用。当然，现有阶段的专家系统智能解决专业领域的问题，在应用上存在很大的局限性，而且其具体领域构造知识库和相应的推理机也有一定的困难，随着科技的发展，专家系统的研究将不再局限于现有的各种模型与专家系统的简单结合，而是向更深层次的发展。专家系统将成为21世纪人类进行智能管理与决策的工具与助手17。五、参考文献1 蔡自兴，Durkin J，龚涛。高级专家系统：原理、设计及应用M。北京：科学出版社，2006。2 Lyu J J，Chen M N。Aut