专家系统的应用

1、专家系统及其应用专家系统及其应用1专家系统概述专家系统概述 知识库知识库人造专家人造专家2农业专家系统发展概况农业专家系统发展概况 3青霉素发酵过程的专家控制系统青霉素发酵过程的专家控制系统4其他专家系统其他专家系统1专家系统概述专家系统概述 一个学龄前儿童能够领你在附近游览，向一个学龄前儿童能够领你在附近游览，向你介绍每一座建筑的用途，告诉你所遇到你介绍每一座建筑的用途，告诉你所遇到每个人之间的关系，并且回答你在沿途所每个人之间的关系，并且回答你在沿途所遇到的任何问题。遇到的任何问题。 在城市大厅中的计算机可以告诉你建筑材在城市大厅中的计算机可以告诉你建筑材料的实际情况和图样，并且评估房屋的

2、价料的实际情况和图样，并且评估房屋的价值，但是它却不能提供给你在游览中孩子值，但是它却不能提供给你在游览中孩子向你传达的那部分知识。向你传达的那部分知识。人脑不善于的和计算机善于的人脑不善于的和计算机善于的 人类的大脑不善于储存和回忆事情，但它人类的大脑不善于储存和回忆事情，但它却善于巧妙地处理知识却善于巧妙地处理知识将事物间的联将事物间的联系合成信息。系合成信息。 另一方面，计算机更善于处理数据而不是另一方面，计算机更善于处理数据而不是知识。没有人确切地知道人脑是如何储存知识。没有人确切地知道人脑是如何储存和操纵知识的。和操纵知识的。 为使计算机能够处理知识，人工智能研究为使计算机能够处理知

3、识，人工智能研究者已经开始并且从没有停止过从事这方面者已经开始并且从没有停止过从事这方面技术的开发。技术的开发。 知识库知识库 数据库仅仅包含事实，而知识库还包含一个规则系统用来决定和改变事物间联系。储存在数据库中的信息被严格地按类编排；而当知识库中的信息由于新信息的介入而发生改变时可以被重新组织。 计算机科学家们试图开发一个知识库，使计算机能够以孩子理解世界的模式来理解世界，但到目前为止还没有取得很大进展。 学龄前儿童能理解的事情 如果你把东西放在水里，它就会变湿。如果你把东西放在水里，它就会变湿。 如果苏珊是菲尔的姐姐，那么菲尔是苏珊的弟弟。如果苏珊是菲尔的姐姐，那么菲尔是苏珊的弟弟。 你

4、不能从上至下建一座塔。你不能从上至下建一座塔。 狗经常生活在房子里，可是牛却不是。狗经常生活在房子里，可是牛却不是。 人不能穿墙而过。人不能穿墙而过。 如果你在饭馆吃饭，你需要付账并且留点小费。如果你在饭馆吃饭，你需要付账并且留点小费。 如果你从沈阳到新马泰去旅游，时间便在旅途中如果你从沈阳到新马泰去旅游，时间便在旅途中流逝流逝。计算机很难办的事情 由于计算机不能汲取人们多年积累的经验由于计算机不能汲取人们多年积累的经验建立一个关于世界的精神模型，它也就不建立一个关于世界的精神模型，它也就不能自动地获取常识。能自动地获取常识。 许多人工智能研究集中在使计算机获取和许多人工智能研究集中在使计算机

5、获取和储存现实世界的信息和日常知识。储存现实世界的信息和日常知识。 开发那些连儿童都具有的广泛而浅显的知开发那些连儿童都具有的广泛而浅显的知识系统对计算机研究来说却很难取得成功。识系统对计算机研究来说却很难取得成功。专家系统的核心是知识库专家系统的核心是知识库 而当知识库被局限于狭窄并且深奥而当知识库被局限于狭窄并且深奥的领域中时的领域中时专家领域，它们却专家领域，它们却成为有效而实用的具有智能的工具。成为有效而实用的具有智能的工具。 例如，知识库在商业、科学和工业例如，知识库在商业、科学和工业中所使用的成百上千的专家系统中中所使用的成百上千的专家系统中处于核心地位。处于核心地位。人造专家人造

6、专家专家系统是软件程序 正如这个引用所指，专家就是对某一特定领域的知识理解得极为深刻的人。 由于致力于某一领域的研究，专家会掌握这一领域的大量知识。 专家系统是一套软件程序，它被设计用来模拟人类专家的决策过程。 每个专家系统的基础都是含有特定领域观点的知识库。知识库的建构 由于知识库是特定知识的集合，所以一个专家系统的知识库必须由一名使用者、一位专家或者一名知识工程师来建构。 知识工程师是采访和观察专家的言行并将其言行转化为知识库的专业人员。 一些新型专家系统可以在观察人类决策者工作的同时，不断扩充自身的知识库。但是对大多数专家系统来说，这一过程仍然需要人类参与。基于知识的系统 严格地说，专家

7、系统提取专家的知识；有些系统还吸收其他资源，例如政府条例、公司章程和统计数据库，这些都被称为基于知识的系统。 但在实际应用中，专家系统和基于知识的系统这两个术语经常交替使用。基于模糊逻辑 一个知识库经常使用if - then （如果 就）这样的规则形式来表现知识： 如果机器不运转并且灯也不亮，那么就检查一下电池。 如果电池还有电，那么就检查电池连接器。 人类所做出的大多数决定都有不确定性，所以许多现代专家系统都是基于模糊逻辑的。模糊逻辑允许使用概率（有70 的机会）而不是确定性描述结论。MYCIN 的例子 有一个来自MYCIN 的例子，MYCIN 是被设计学习医生专业知识的第一个专家系统，他有

8、一个规则： 如果 1 ）感染主要来源于细菌感染； 2 ）繁殖场所是经过消毒的； 3 ）怀疑生物体的人口是肠胃管道。 那么这种生物体有70 的可能是类杆菌。专家系统还包括 除了知识库，一个完整的专家系统还包括人机界面来完成使用者和系统之间的信息交互，以及一个参考引擎，将使用者的输入与知识库对照，并应用逻辑规则，产生所需的专家建议。 有时候专家系统提供给专家自动数据分析和第二条可行方案。此外，专家系统也可以基于一位或更多专家的判断，给一名非专业人员提供意见。无论它们充当的角色如何，在狭小、严格的领域内专家系统可以有效地工作2农业专家系统发展概况农业专家系统发展概况 国际上出现的专家系统开发工具已很

9、多，不少已国际上出现的专家系统开发工具已很多，不少已成为通用的商品化软件，有些已引人国内。成为通用的商品化软件，有些已引人国内。 但由于对人工智能、专家系统的陌生以及外语障但由于对人工智能、专家系统的陌生以及外语障碍，作为各领域的技术人员在操作应用方面不能碍，作为各领域的技术人员在操作应用方面不能得心应手，尤其像农业方面的专业人员更感到望得心应手，尤其像农业方面的专业人员更感到望而生畏。而生畏。 国际上农业专家系统的研究最早始于国际上农业专家系统的研究最早始于20世纪世纪70年代末期。也许是受了专家系统最初应用于医疗年代末期。也许是受了专家系统最初应用于医疗诊断的启迪当时开发的系统主要是面向农

10、作物诊断的启迪当时开发的系统主要是面向农作物的病虫害诊断。的病虫害诊断。 国际发展概况 1978年美国伊利诺斯大学开发的大豆病虫害诊断专家系统PLANT/ds, 1982年开发的玉米螟虫虫害预测专家系统PLANT/cd, 1983年日本千叶大学的西红柿病虫害诊断专家系统MICCS等，但在当时并未受到人们普遍重视。 到了80年代中期，随着专家系统技术的迅速发展，农业专家系统也取得了长足的进步，在数量上和水平上均有了较大的起色，已从单一的病虫害诊断转向生产管理、经济分析决策、生态环境等，尤其以美国、中国、日本、欧洲的一些国家最为突出。 日本 作为政府部门对农业专家系统较早引起重视的国家要算日本。日

11、本农林水产省1984年专门组织了一个“知识工程技术应用于产业界预测调查”委员会，集中了全国70 名信息和农业两方面专家调研分析，写出了详细报告，其中一部分于1986年汇编成书：人工智能与农业：精农技术与尖端技术的融合，并提出全面实施计划，反映出日本政府对这门高技术在农业上的作用所给予的高度重视。 美国 80年代国际上著名的农业专家系统要算由美国农业部和全国棉花委员会组织研制的COMAX/GOSSYM，于1986年10月投人应用，用于向棉花种植者推荐棉花管理措施。它是一个基于模型的专家系统，有一个模拟棉花生长发育过程和水分营养在土壤中传递过程的模型GOSSYM。它给出施肥、灌溉的日程表和落叶剂的

12、合理施用，给出棉花生产最佳管理方案，已在密西西比三角洲和南卡罗林纳海滨等棉产区应用。 这些地区在棉花收获时节正当雨季，准确通知棉花成熟日期，使得农户可在雨季到来前收获完，得到最好的产量。1988年在美国主要植棉州使用这一系统，获得相当成功。 CALEX系统 近年来COMAX又做了进一步改进。加利福尼亚大学戴维斯分校研制的CALEX系统，是又一个著名的例子。它开始也是应用于棉花的生产管理，已在加州的450个农场应用，称为CALEX/COTTON，已应用于加州的圣乔亚齐因流域棉区。 后又建造了CALEX/EACHES，用于桃树园林管理。它已成为专用于农业生产管理的专家系统工具软件。 水稻生产管理

13、近年来，又建造了CALEX/RICE,用于水稻生产管理。它的数据来源可以通过Internet从气象数据库和加州的农药数据库得到。在美国，许多农业专家系统的开发多是利用商用的工具，如LEVELS, VPEXPERT, INSIGHT等。还有一些是专用的工具，例如CALEX就是专用于作物管理的开发环境，还有SELECT, PALMS等。几乎无所不包 1996年6月在荷兰瓦根宁根举行的国际计算机技术应用于农业学术会议上，西班牙一位学者奥塞林在大会上对农业专家系统做了一个综述报告，列举目前国际上农业专家系统有近百个，广泛应用于作物生产管理、灌溉、施肥、品种选择、病虫害控制、温室管理、牛奶生产管理、牲畜

14、环境控制、土壤保持、食品加工、粮食储存、环境污染控制、森林火灾控制、经济分析、财务分析、市场分析、农业机械选择、农业机械故障检修等众多方面，几乎无所不包。 我国农业专家系统 我国农业专家系统的研究，早在20 世纪80 年代初期就已开始，是国际上开展此领域研究与应用比较早的国家。 中国科学院合肥智能机械研究所与安徽省农业科学院土壤肥料研究所合作研制的“砂姜黑土小麦施肥专家系统”，于1985年10月建成，比美国1986年10月投人实用的著名农业专家系统COMAX还早一年，开拓了农业专家系统在我国的应用发展，并荣获国家科技进步二等奖。 七五期间 在七五期间由中国科学院合肥智能机械研究所牵头承担了国家

15、七五科技攻关农业专家系统专题，其中有中国科学院合肥智能机械研究所的施肥专家系统、中国农业科学院作物研究所的品种选育专家系统、植物保护研究所的粘虫测报专家系统、土壤肥料研究所的施肥专家系统、华中理工大学的园艺专家系统、浙江大学与中国农业科学院蚕桑研究所合作的蚕育种专家系统等课题。经五年攻关，取得了可喜成绩。 一批成果 河北省农业厅与廊坊市农林局应用GURU 工具开发的冀北小麦专家系统， 辽宁省农业科学院的水稻新品种选育专家系统， 宁夏农林科学院等应用VPEXPERT 开发的春小麦条锈病预测专家系统， 北京农业大学的作物病虫预测专家系统和农作制度专家系统， 中国农业科学院畜牧研究所的畜禽饲料配方专

16、家系统， 中国农业科学院农业气象研究所的玉米低温冷害防御专家系统， 南京农业大学和安徽省农业科学院的水稻害虫管理和稻纵卷叶螟管理专家系统， 安徽省计算中心和安徽农学院合作的水稻病虫害专家系统等等。 3 青霉素发酵过程的专家控制系统 青霉素是青霉菌的次生代谢产物。青霉素发酵过程作为一个非常复杂的生物化学过程，具有高度的非线性、时变性和不确定性，很难给出一个精确的数学模型，因此各种现代控制方法的效果都不能令人满意。 而在50 多年的青霉素生产中，却积累丰富的经验和知识，基于这些知识，一些研究者构建了青霉素流加发醉工业生产过程的专家控制系统，取得了较好的效果。青霉素流加发酵生产过程的专家控制系统的结

17、构 知识库 主要存放领域专家的知识、操作人员的经验以及有关生产数据，经过归纳所形成的规则。 整个规则可划分为两部分： 一部分用于判定发醉阶段， 另一部分用于确定糖、前体、尿素的流加。 整个规则库共有30多条规则。 其中用于判断是否从发酵阶段 1 进入发酵阶段 2 的规则，含有五条子规则，如下所示： 子规则1 pH下降至最底点后回升超过 pH0， CO2浓度大于CRP0， pH值不小于 pH0。 子规则2 残糖浓度小于 Sr0， CO2浓度大于 CRP0 , pH值不小于 pH0。 子规则3 (Sr- Sr0）t 1, 2 ， CO2浓度大于 CRP0， pH 值不小于 pH0。判断条件满足后1

18、小时进入发酵的第二阶段。 子规则4 ( Sr- Sr0）t 1 , CO2 浓度大于CRP0 , pH值不小于 pH0。判断条件满足后半小时进入发酵的第二阶段。 子规则 5 发酵时间超过 T 0 。说明 以上各规则中 CRP0、 pH0、 Sr0分别表示开始流加糖时的CO2释放量、 pH和残糖浓度。 只要满足其中的任一条规则，即可进人第二发酵阶段。 子规则3、4是为了弥补残糖浓度每4小时离线测量一次的缺陷而加入的增补条件。 数据库 该系统的数据库用于存放有关发酵阶段和各种基质流加参数，有关过程的数据，操作的界限、报警阀值等。 因此数据库在开始运行前存放系统设定值，在运行时存放过程性结论。推理机

19、 推理即控制规则库中规则的选择和使用，根据当前的和历史的数据匹配规则库中的规则，求得当前的流加量。 规则推理常采用正向推理，其中规则匹配的顺序根据专家考虑同一问题的顺序确定。 比如首先判断发酵过程所处阶段，然后根据阶段与系统当前状态确定流加量。 具体推理过程4 其他专家系统其他专家系统 一些首批成功的专家系统都是基于药学知一些首批成功的专家系统都是基于药学知识库开发的。由于药学知识可以有序地分识库开发的。由于药学知识可以有序地分档，研究者认为这一领域的知识库能够获档，研究者认为这一领域的知识库能够获得成功。他们的看法是正确的。得成功。他们的看法是正确的。 MYCIN 这个医疗专家系统在诊断疾病

20、时胜这个医疗专家系统在诊断疾病时胜过许多医学专家。虽然它们很少在医疗实过许多医学专家。虽然它们很少在医疗实践中使用，但还是存在其他数十个工作的践中使用，但还是存在其他数十个工作的医疗专家系统。医疗专家系统。 同医疗团体相比，商业企业更乐于接受并同医疗团体相比，商业企业更乐于接受并使用专家系统。使用专家系统。 XCON 今天在商业应用中最成功的专家系统之一，自从它1980 年被Digital 设备公司开发出来后，它已经配置了许多复杂的计算机系统。这个系统的知识库包含 10000条以上的有关不同计算机部件关系的规则描述。 据说，它可以完成超过 300 位人类专家的工作量，并且比人类所犯的错误要少得

21、多。 ( 1998 年， Digital 公司被 PC 制造商 Compaq 收购，在很大程度上是因为该公司在配置、维护和解决复杂系统所出现的问题上的突出业绩。）联邦快递公司 联邦快递公司使用专家系统自动完成对信用卡的使用中出现的欺诈和滥用行为的检查。这种信用卡的检查必须在客户等待时的 90 秒内完成，而且如果出现错误，损失可能是惨重的。 这家公司用13个月的时间开发出这套系统，此系统是以该公司最优秀的信用卡办事员所具有的决策知识为模型设计的。 理赔专家系统 在弗吉尼亚的 Blue Crosse Blue Shield 公司，一个专家系统负责自动处理保险索赔。 这个专家系统每天处理超过 200

22、 件的索赔，使得办事员有更多的时间去处理那些需要人类判断的复杂情况。 该系统的开发人员从手册中提取诊断规则，并观察办事员如何使用这些规则。 波音公司的工人在组装飞机的电力连接器时，使用专家系统来确定合适的部件、工具和技术。 这套系统替代了 20000页的文档查询，并且将查询时间从 42 分钟减少到 5 分钟。 在石油勘探中定位可能开采的位置， 为汽车和机器的维修提供帮助， 提供金融管理建议， 为市场活动定位， 检查电脑控制的机器中存在的问题， 预测天气，为航线控制提供建议， 帮助出版商设计基本的版面， 控制军用设施， 为作曲家提供帮助 这个列表还在以惊人的速度递增。 互联网的专家系统 即使是内

23、置于许多字处理软件中的语法检查器也可以被看作是专家系统，因为它应用了许多语言专家得出的格式和语法规则。 在互联网上使用的专家系统同样会做很多事情，从对鲸和昆虫进行分类到执行复杂的网络查询。 一个自动画家 最不同寻常的专家系统之一是 AARON ，这是一个自动画家，他的程序编写者是地处圣地亚哥的加利福尼亚大学的教授和艺术家哈罗德 科恩。 ARRON 利用自身的 l000 多条人体解剖学和行为学原理使用自动绘画机器绘制人物、植物和抽象的事物。这些绘画在风格上与科恩的作品极其相似，在艺术领域赢得了广泛的赞誉。到底谁是画家 就在ARRON创作作品的同时，出现了一个有趣的问题：到底谁是画家，科恩还是AR

24、RON？科恩认为自己是作者，他认为ARRON只是一件自动化的艺术作品。 这个问题看起来好像有些微不足道，但是它却与更大的问题有着深远的关联：当专家系统做出决定时，谁应该对这个决定负责？责任问题 如果一名医生利用专家系统协助手术而手术却失如果一名医生利用专家系统协助手术而手术却失败了，谁应该承担这个责任，是医生、程序员、败了，谁应该承担这个责任，是医生、程序员、软件公司还是其他人？如果你由于专家系统中的软件公司还是其他人？如果你由于专家系统中的一个错误而不能获得医疗补助，你是投诉某个人、一个错误而不能获得医疗补助，你是投诉某个人、某个组织还是一个软件呢？某个组织还是一个软件呢？ 如果由于专家系统

25、没能发现问题而导致电站爆炸，如果由于专家系统没能发现问题而导致电站爆炸，谁又应该承担这个责任？在专家系统不断繁荣发谁又应该承担这个责任？在专家系统不断繁荣发展的同时，消费者、律师、立法者和技术人员将展的同时，消费者、律师、立法者和技术人员将不得不面对这类问题。不得不面对这类问题。专家系统的优势 帮助训练新雇员。帮助训练新雇员。 减少人为错误的数量。减少人为错误的数量。 执行日常任务，使工作人员可以集中更多执行日常任务，使工作人员可以集中更多精力在更具挑战性的工作上。精力在更具挑战性的工作上。 当专家不在时，提供专业知识。当专家不在时，提供专业知识。 在某些专家离开单位时，保留这些专家所在某些专家离开单位时，保留这些专家所具有的知识。具有的知识。 将数位专家的知识融合在一起。使更多的将数位专家的知识融合在一起。使更多的人获得知识人获得知识。专家系统的问题 举例来说，今天专家系统的建设十分