智能控制技术(第2章-专家系统与专家控制系统)

1、2.1.1、什么是专家系统、什么是专家系统2. 2、专家系统的基本结构与实现、专家系统的基本结构与实现用户用户领域专家领域专家知识工程师知识工程师专专家家系系统统核核心心2.3 专家控制系统的设计方法专家控制系统的设计方法（1）专家控制系统的概念与分类）专家控制系统的概念与分类（2）专家控制系统的设计结构）专家控制系统的设计结构（3）专家控制系统的开发步骤）专家控制系统的开发步骤（4）知识的获取与表示）知识的获取与表示（5）推理机制）推理机制二、基本原理二、基本原理 2.3.4知识的获取与表示知识的获取与表示n知识表示知识表示就是知识的形式化，就是研究用机就是知识的形式化，就是研究用机器表示知

2、识的可行的、有效的、通用的原则器表示知识的可行的、有效的、通用的原则和方法。和方法。n目前常用的知识表示方法有：逻辑表示法、目前常用的知识表示方法有：逻辑表示法、语义网络法、产生式规则、特性表示法、框语义网络法、产生式规则、特性表示法、框架表示法、与或图法、过程表示法、黑板结架表示法、与或图法、过程表示法、黑板结构、构、Petri网络法、神经网络等。网络法、神经网络等。 2.3.4知识的获取与表示知识的获取与表示1 1、产生式规则表示法、产生式规则表示法 控制器匹配、冲突解决规则库数据库匹配检索1、产生式规则表示法、产生式规则表示法n规则库：规则库：存放了若干规则，每条产生式规则存放了若干规则

3、，每条产生式规则是一个以是一个以“如果满足这个条件，就应当采取如果满足这个条件，就应当采取这个操作这个操作”形式表示的语句。形式表示的语句。 n数据库：数据库：是产生式规则注意的中心，每个产是产生式规则注意的中心，每个产生式规则的左半部分表示在启用这一规则之生式规则的左半部分表示在启用这一规则之前数据库内必须准备好的条件。前数据库内必须准备好的条件。 n控制器控制器 ：是说明下一步应该选用什么规则，是说明下一步应该选用什么规则，也就是如何运用规则。通常从选择规则到执也就是如何运用规则。通常从选择规则到执行规则分成三步：行规则分成三步：匹配匹配、冲突解决冲突解决和和操作操作。 2.3.4知识的获

4、取与表示知识的获取与表示2 2、状态空间表示法、状态空间表示法n状态空间表示法状态空间表示法是知识表达的基本方法。是知识表达的基本方法。n状态空间状态空间是利用状态变量和操作符号，是利用状态变量和操作符号，表示系统或问题的有关知识的符号体系，表示系统或问题的有关知识的符号体系，通常可以用三元组来表示：通常可以用三元组来表示： 其中其中Q Qs s表示初始状态，表示初始状态，Q Qg g表示目标状态，表示目标状态，F F表示操作。表示操作。 2.3.4知识的获取与表示知识的获取与表示3 3、框架表示法、框架表示法n框架框架是一个嵌套的连接表，用于表是一个嵌套的连接表，用于表达问题的状态和操作过程

5、及其相互达问题的状态和操作过程及其相互联系。联系。n框架系统的框架系统的嵌套式结构嵌套式结构便于表达不便于表达不同层次的知识。通过扩充子框架，同层次的知识。通过扩充子框架，可以进一步描述问题的细节。可以进一步描述问题的细节。 3、框架表示法、框架表示法n框架的结构框架的结构（）（）（） （） ） （） （） ） ） （） ） ） ）4、“与或图与或图”表示法表示法n与或图概念与或图概念 与或图是一种超图，图中用几条超弧线连接与或图是一种超图，图中用几条超弧线连接一个父节点和它的一组后继节点，加到一个一个父节点和它的一组后继节点，加到一个节点上的节点上的“与与”或或“或或”标记取决于该节点标记取

6、决于该节点对其父节点的关系。对其父节点的关系。 ACBDEFH4、“与或图与或图”表示法表示法分解分解“与与”树树将复杂的大问题分解将复杂的大问题分解成一组简单的小问题，成一组简单的小问题，将总问题分解为子问将总问题分解为子问题。若所有子问题都题。若所有子问题都解决了，则总问题也解决了，则总问题也解决了。这是解决了。这是“与与”的逻辑关系。而子问的逻辑关系。而子问题又可以分为子子问题又可以分为子子问题，如此类推可以形题，如此类推可以形成问题分解的树图，成问题分解的树图，称为称为“与与”树。树。 总 问 题子 问 题 （ 简 单 ）子 子 问 题 （ 更 简 单 ）4、“与或图与或图”表示法表示

7、法变换变换“或或”树树将较难的问题变换为较将较难的问题变换为较易的等价问题。若一个易的等价问题。若一个较难问题可以等价变换较难问题可以等价变换为几个容易问题，则任为几个容易问题，则任何一个容易问题解决了，何一个容易问题解决了，也就解决了原有的难问也就解决了原有的难问题，这是题，这是“或或”的逻辑的逻辑关系。而这些容易问题关系。而这些容易问题还有可能变换为若干更还有可能变换为若干更容易的问题，如此下去，容易的问题，如此下去，可以形成问题变换的可以形成问题变换的“或或”树。树。 总问题等价问题（易）等价问题（更易）4、“与或图与或图”表示法表示法n与或图构成规则与或图构成规则 与或图中的每个节点代

8、表一个要解决的与或图中的每个节点代表一个要解决的单一问题或问题集合，图中的起始节点对单一问题或问题集合，图中的起始节点对应总问题。应总问题。对应于本原问题的节点为叶节点，它没对应于本原问题的节点为叶节点，它没有后裔。有后裔。对于把算符（与操作或操作）应用于对于把算符（与操作或操作）应用于问题问题 A的每种可能情况，都把问题变换为的每种可能情况，都把问题变换为一个子问题集合；有向弧线自一个子问题集合；有向弧线自A指向后继指向后继节点，表示所求得的子问题集合。节点，表示所求得的子问题集合。 2.3.4知识的获取与表示知识的获取与表示5 5、黑板模型结构、黑板模型结构 是一种功能较强的问题求解模型，

9、能处理是一种功能较强的问题求解模型，能处理大量不同表达的知识，并能提供组织，协大量不同表达的知识，并能提供组织，协调，应用这些知识的手段。这种模型采用调，应用这些知识的手段。这种模型采用机遇推理模型，把求解过程看作是一个产机遇推理模型，把求解过程看作是一个产生部分解并由部分解组合出一个满意的解生部分解并由部分解组合出一个满意的解的过程。黑板模型的主要优点在于它在控的过程。黑板模型的主要优点在于它在控制上的灵活性，并能综合不同的知识表达制上的灵活性，并能综合不同的知识表达和推理技术。和推理技术。 5 5、黑板模型结构、黑板模型结构 5 5、黑板模型结构、黑板模型结构 n黑板数据结构（简称黑板）黑

10、板数据结构（简称黑板）它是全局性的数据结构。它是全局性的数据结构。用于组织问题求解数据，处理知识源之间的用于组织问题求解数据，处理知识源之间的通信。通信。黑板模型可分为若干信息层，每一层用于描黑板模型可分为若干信息层，每一层用于描述关于问题的某一类信息。述关于问题的某一类信息。各个信息层之间形成一个松散的层次结构，各个信息层之间形成一个松散的层次结构，高层中的黑板元素可以近似地看成是这下一高层中的黑板元素可以近似地看成是这下一级若干个黑板元素的抽象。级若干个黑板元素的抽象。 5 5、黑板模型结构、黑板模型结构 n知识源知识源问题求解所需的领域知识划分为知识源。问题求解所需的领域知识划分为知识源

11、。知识源可具有知识源可具有“条件一动作条件一动作”的形式。条件的形式。条件描述了知识源可用于求解的情形，动作则描描述了知识源可用于求解的情形，动作则描述了知识源的行为。述了知识源的行为。n控制单元控制单元由黑板监督程序和调度程序组成，其作用就由黑板监督程序和调度程序组成，其作用就是决定下一步需激活的知识源或需处理的黑是决定下一步需激活的知识源或需处理的黑板信息。板信息。 2.3.4知识的获取与表示知识的获取与表示6 6、神经网络知识表、神经网络知识表示示 神经网络的知识表神经网络的知识表示可看作是一种隐示可看作是一种隐式表示，在这里知式表示，在这里知识并不像在产生式识并不像在产生式系统中那样独

12、立表系统中那样独立表示每一规则，而是示每一规则，而是将某一问题的若干将某一问题的若干知识在同一网络中知识在同一网络中表示。表示。 -1.0-1.5-2.0001.0041.1002.102-3.1211.0701.135x1x2y6、神经网络知识表示、神经网络知识表示n神经网络知识表示的优点：神经网络知识表示的优点： 具有统一的内部知识表示形式，通过学习程序具有统一的内部知识表示形式，通过学习程序即可获得网络的相关参数如分块邻接权矩阵、即可获得网络的相关参数如分块邻接权矩阵、节点偏移向量等。任何知识规则都可变换成数节点偏移向量等。任何知识规则都可变换成数字形式，便于知识库的组织和管理，通用性强

13、；字形式，便于知识库的组织和管理，通用性强；便于实现知识的自动获取；便于实现知识的自动获取；利于实现并行联想推理和自适应推理；利于实现并行联想推理和自适应推理；能够表示事物的复杂关系如模糊因果关系。能够表示事物的复杂关系如模糊因果关系。2.3.5推理机制推理机制 n推理是指依据一定的原则从已有的事实推理是指依据一定的原则从已有的事实推出结论的过程，这个原则就是推理的核推出结论的过程，这个原则就是推理的核心。专家系统中的自动推理是知识推理。心。专家系统中的自动推理是知识推理。而知识推理是指在计算机或智能机器中，而知识推理是指在计算机或智能机器中，在知识表达的基础上，进行机器思维，求在知识表达的基

14、础上，进行机器思维，求解问题，实现知识推理的智能操作过程。解问题，实现知识推理的智能操作过程。 n在专家系统中，可以依据专家所具有的在专家系统中，可以依据专家所具有的知识的特点来选择知识表示的方法，而知知识的特点来选择知识表示的方法，而知识推理技术同知识表示方法有密切关系。识推理技术同知识表示方法有密切关系。 推理方法的分类推理方法的分类 1、根据知识表示的特点，知识推理方法可分、根据知识表示的特点，知识推理方法可分为为图搜索方法图搜索方法和和逻辑论证方法逻辑论证方法两类。两类。2 2、根据问题求解的推理过程中是否运用启发、根据问题求解的推理过程中是否运用启发性知识，知识推理方法可分为性知识，

15、知识推理方法可分为启发推理启发推理和和非非启发推理启发推理两类。两类。 3 3、根据问题求解的推理过程中结论是否精确，、根据问题求解的推理过程中结论是否精确，知识推理方法可分为知识推理方法可分为精确推理精确推理和和不精确推理不精确推理两类。两类。 推理方法的分类推理方法的分类 4 4、根据问题求解的推理过程中特殊和一般的、根据问题求解的推理过程中特殊和一般的关系，知识推理方法可分为关系，知识推理方法可分为演绎推理演绎推理、归纳归纳推理推理两类。两类。 5 5、根据问题求解的推理过程中推理的方向，、根据问题求解的推理过程中推理的方向，知识推理方法可分为知识推理方法可分为正向推理正向推理、反向推理

16、反向推理和和正反向混合推理三类。正反向混合推理三类。 正向推理正向推理开始令I=1取出规则I的前提部分的事实在数据库中吗？I=K?取出规则I的结论部分的事实新事实吗？令I=I+1结束将新事实加入数据库中，记下规则IYESNOYESNOYESNO反向推理反向推理开始提出假设在数据库中吗？找出结论部分包含那些假设的规则有此事实吗？新假设成立结束是证据节点吗？YES还有假设吗？NONO提问用户NO以这些规则的前提之一作为新的假设记入数据库中去YES还有假设吗？结束NOYESNOYES宽度优先搜索宽度优先搜索 所谓所谓宽度优先搜索宽度优先搜索方法是按方法是按“最早产生的节最早产生的节点优先扩展点优先扩

17、展”的搜索方法。具体地说，搜索的搜索方法。具体地说，搜索的节点是一层一层地检查的，只有在上一层的节点是一层一层地检查的，只有在上一层的每一个节点都检查完毕之后，这一层的节的每一个节点都检查完毕之后，这一层的节点才能开始检查，也就是说，节点的扩展是点才能开始检查，也就是说，节点的扩展是按它们接近起始节点的程度依次进行的。这按它们接近起始节点的程度依次进行的。这种方法是考虑了每一种可能，所以这种搜索种方法是考虑了每一种可能，所以这种搜索可能是一种非常长的过程，但如果存在任何可能是一种非常长的过程，但如果存在任何解答的话，它能保证最终找到最短的解答序解答的话，它能保证最终找到最短的解答序列。列。 宽

18、度优先搜索宽度优先搜索 开始把S放入OPEN表OPEN表是否为空？失败把OPEN表的第一个节点n移出，并放入CLOSED表扩展n，将其后节点放入OPEN表末端，提供回到n的指针在后继节点中是否有目标节点？成功YESNONOYES深度优先搜索深度优先搜索 所谓所谓深度优先搜索深度优先搜索方方法就是按法就是按“最晚产生最晚产生（最深的）节点优先（最深的）节点优先扩展扩展”的搜索方法，的搜索方法，深度相等的节点其顺深度相等的节点其顺序可以任意排列。也序可以任意排列。也就是总是向亲代到子就是总是向亲代到子代方向进行，直到不代方向进行，直到不得不返回追踪的搜索。得不返回追踪的搜索。然而实际上，从树的然而实际上，从树的观点看，不是从左枝观点看，不是从左枝开始，就是从右枝开开始，就是从右枝开始。始。 不精确推理不精确推理 专家系统中把领域知识表示成必然的因果关系、专家系统中把领域知识表示成必然的因果关系、逻辑关系，推理的结论是肯定的，这种推理称为逻辑关系，推理的结论是肯定的，这种推理称为精确推理。除此以外，更重要的是以专家的经验精确推理。除此以外，更重要的是以专家的经验知识对不确定的事实，根据不充分的证据和不完知识对不确定的事实，根据不充分的证据和不完全的知识进行推理，这种推理称为不精确推理。全的知识进行推理，这种推理称为不精确推理。应该指出，所谓不精确推理不是要使