【学习课件】第7章-专家系统人工智能

1、6.1 概述6.2 基于规则的专家系统6.3 基于框架的专家系统6.4 基于模型的专家系统6.5 基于Web的专家系统6.6 新型专家系统6.7 专家系统设计6.8 专家系统开发工具6.9 小结Ch.6 Expert Systems第六章 专家系统Experts are people who are very familiar with solving specific types of problems. Expert system is an intelligent computer program that can perform special and difficult task i

2、n some field at the level of human experts. Expert system has been one of most active and important application fields of AI.Expert systems are mostly domain specific.Expert system has a very wide field of applications.6.1 Introduction 专家系统概述 What is an Expert System?26.1 Introduction费根鲍姆把专家系统定义为一个应

3、用知识和推理过程来求解需要大量的人类专家解决难题经验的智能计算机程序。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算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，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才能处理好的复杂问题。专家系统是模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统的基本功能取决于它所含有的知识，因此也把专家系统称为基于知识的系统（knowledge-based system）。36.1.1 Feature of Expert System (ES) 专家系统的特点Heuristic 启发性专家系统要解决的问题，其结构往

4、往是不合理的，其问题求解（problem-solving）知识不仅包括理论知识和常识，而且包括专家本人的启发知识。 Use heuristic knowledge of expert to make inference, judgment, decision and conclusion.4Transparency 透明性Expert system can interpret its own inference process and answer users queries, so that user can understand the inference process，enhance

5、the believe to ES。问题求解过程中知识应用的合理性可由检验专家系统的解释推理路径来验证。5Flexibility 灵活性Ability to extend and enrich the KB, and self-learning ability专家系统的灵活性是指它的扩展和丰富知识库的能力，以及改善非编程状态下的系统性能，即自学习能力。Reasoning Machine can select various relative knowledge from KB and construct problem solving sequences according to the pa

6、rticulars of the specific solved problems.6Advantages of ES 优点Provides consistent answers for repetitive decisions, processes and tasks Holds and maintains significant levels of information Encourages organizations to clarify the logic of their decision-making Never forgets to ask a question, as a h

7、uman might 7Advantages of ES 优点能高效、准确、周到、迅速和不知疲倦地工作。专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不会遗漏和忘记。使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。专家系统能促进各领域的发展，使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力。8专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力。军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一。专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。专家系统对人工智能各个领域的发展起了

8、很大的促进作用，并将对科技、经济、国防、教育、社会和人民生活产生极其深远的影响。96.1.2 Structures & Building Step of ES 专家系统的结构和建造步骤定义：指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式专家系统结构Fig 6.1 Simplified block diagram of expert systemExpertiseKnowledge BaseInputor QueryReasoning MachineAnswer10理想专家系统的结构图图6.2 理想专家系统的结构图接口用户事实规则计划议程中间解黑板知识库解释器执行器调度器协调器11 Ideal Arc

9、hitecture of ESKnowledge BaseGlobal DatabaseReasoning MachineExplanatorInterface12 Building Expert System 专家系统的建造步骤1. Design of Initial Knowledge Base Problem identification Knowledge conceptualization Concept formulization Rule formulation Rule validation13 Building Expert System 专家系统的建造步骤2. Develo

10、pment & test for prototype system3. Improvement & induction for the knowledge14Date AcquisitionIndentifi-cationConceptu-alizationFormali-zationRuleFormalizationValidationKnowledgeConceptsStructureRulesConclusionRepresentation RefinementsReformulationsFig.6.3 Steps for designing knowledge baseStages

11、for Designing KB15知识化问题图6.3建立专家系统的步骤合法化概念化形式化规则化知识概念结构形式规则再设计改进重新阐述 专家系统的建造步骤16 建立系统的一般步骤如下1.设计初始知识库问题知识化知识概念化概念形式化形式规则化规则合法化2.原型机（prototype）的开发与实验3.知识库的改进与归纳176.2 Rule-based Expert System 基于规则的专家系统6.2.1 基于规则专家系统的工作模型和结构知识库（规则）工作存储器（事实）推理机1. 基于规则的专家系统的工作模型 图6.4 基于规则的工作模型18基于规则的专家系统采用下列模块来建立产生式系统的模型：

12、知识库 以一套规则建立人的长期存储器模型工作存储器 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。推理机 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，建立人的推理模型，以推断出新的信息 。192. 基于规则专家系统的结构解释器用户界面开发界面外部程序工作存储器推理机知识库用户知识工程师图6.5 基于规则专家系统的结构206.2.2 Advantages of rule-based expert system 优点自然表达控制与知识分离易于扩展智能成比例增长相关知识的使用从严格语法获取解释一致性检查启发性知识的使用不确定知识的使用可以合用变量216.2

13、.2 Advantages of rule-based expert system 缺点必需精确匹配有不清楚的规则关系可能慢对一些问题不适用226.3 Frame-based Expert System 基于框架的专家系统 6.3.1 基于框架专家系统的定义、结构 和设计方法定义6.1 基于框架的专家系统是一个计算机程序，该程序使用一组包含在知识库内的框架对工作存储器内的具体问题信息进行处理，通过推理机推断出新的信息。23特征名称值侧面规则目标议程表人类男人女人约翰李勇丽达王红类（class）槽(Slots)子类（subclass)例子(instances)规则(rules)目标议程表 (go

14、al agenda)1. 基于框架专家系统的结构图6.6 人类的框架分层结构242. 基于框架专家系统的一般设计方法基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规则的专家系统相似,主要差别在于如何看待和使用知识在设计基于框架的专家系统时，把整个问题和每件事想像为编织起来的事物在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的方法对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程25开发基于框架专家系统的主要任务定义问题，包括对问题和结论考察与综述分析领域，包括定义事物、事物特征、事件和框架结构定义类及其特征定义例及其框架结构确定模式匹配规则规定事物通信方法设计系统界面对系统进行评价对系统进行扩展，深化和扩宽知识2

15、6 6.3.2 基于框架专家系统的继承、槽 和方法1.基于框架专家系统的继承定义6.2(继承) 后辈框架呈现其父辈框架的特征的过程。异常处理多重继承27 6.3.2 基于框架专家系统的继承、槽 和方法2.基于框架专家系统的槽定义6.3（槽） 框架属性有关的扩展知识。按照下面的方式，槽扩展有关给定系统属性的信息：类型：定义和属性相关的类型；默认：定义默认值；文档：提供属性文档；约束：定义允许值；28 按照下面的方式，槽扩展有关给定系统属性的信息：（续）最小界限：建立属性的下限；最大界限：建立属性的上限；如果需要：指定如果需要属性值时采取的行为；如果改变：指定如果属性值改变时采取的行为。3.基于框

16、架专家系统的方法定义6.3（方法）附加到对象中需要时执行的过程。296.4 Model-based Expert System 基于模型的专家系统6.4.1 基于模型专家系统的提出关于人工智能的一个观点综合各种模型的专家系统比基于逻辑心理模型的系统具有更强的功能，从而有可能显著改进专家系统的设计在诸多模型中，人工神经网络模型的应用最为广泛306.4 Model-based Expert System 基于模型的专家系统The contribution & limitation of Rule-based ESUse various qualitative models to AIAn expe

17、rt system integrated with various models31Features of the model-based ESParallel and distributed processingParallel algorithms (software)Multiprocessors (hardware) distributedSynchronous communication among componentsSynergetic work with multiple ESHigh-level descriptive language32Describe the funct

18、ion, performance and inference of ESDescribe domain knowledge for knowledge representationFeatures of the model-based ESSelf-learning function New inference techniques Advanced intellectual man-machine interface33 6.4.2 基于神经网络的专家系统神经网络模型从知识表示、推理机制到控制方式，与目前专家系统中的基于逻辑的心理模型有本质的区别三种神经网络模型与专家系统集成模式神经网络支持

19、专家系统专家系统支持神经网络协同式的神经网络专家系统34神经网络专家系统的基本结构知识获取学习示例网络结构学习算法解释器专家神经网络用户知识库推理机图6.7 神经网络专家系统的基本结构35神经网络专家系统的几个问题讨论神经网络的知识表示是一种隐式表示神经网络通过实例学习实现知识自动获取神经网络的推理是个正向非线性数值计算过程，同时也是一种并行推理机制同一知识领域的几个独立的专家系统可组合成更大的神经网络专家系统366.5 Web-based ES 基于Web的专家系统6.5.1 基于Web专家系统的结构基于Web专家系统的简单结构如图6.10所示，主要分为3个层次：浏览器、应用逻辑层和数据库层

20、，这种结构符合3层网络结构。用户Web浏览器应用服务器Web推理机数据库服务器数据库知识库图6.10 基于Web专家系统的结构371. 基于Web的飞机故障远程诊断专家系统的结构知识库维护系统诊断咨询系统Internet诊断专家系统Web接口推理机解释器知识库（规则）知识库（事实）（a） 远程诊断专家系统的结构Web浏览器Web服务器ASP文件(使用ADO)ODBC驱动程序知识库系统（b） Web用户存取服务器专家系统的流程图6.11基于 Web的飞机故障远程诊断专家系统的结构382. 基于Web的拖网绞机专家系统的结构 图6.12基于 Web的拖网绞机专家系统的结构 客户端客户端Web服务器

21、数据库服务器全 局推理机全局数据库全局知识库Internet/Intranet局部数据库局部推理机局部知识库用户界面接口设计用户设计任务客户端知识库维护系统界面接口客户端专家知识工程师396.5.2 基于Web专家系统的实例1. 基于 Web的飞机故障远程诊断专家系统诊断咨询系统的实现 Web用户存取远程专家系统的具体实现过程如下。a用户端借助浏览器页面填写飞机故障现象表单，指定URL，通过HTTP通信协议从Web服务器下载指定的ASP文件。b. Web服务器判断ASP文件中是否含有脚本程序（JavaScript或VBScript），若有，则执行相应的程序（推理机）。对于那些不是脚本的部分则直

22、接传给浏览器。c. 若脚本程序使用了ADO对象，则Web服务器会根据ADO对象所设置的参数来启动对应的ODBC驱动程序，然后利用ADO对象访问专家知识库。d. 根据推理匹配结果，由脚本程序利用ASP所做的输出对象生成Web页面，从Web服务器传递给客户端浏览器，从而实现飞机故障的远程诊断。知识库的管理与维护 402. 基于 Web的拖网绞机专家系统 知识表示和知识库 推理机 基于实例推理 基于规则的推理 实例检索 回溯策略 Web数据库访问 416.6 New Types of ES 新型专家系统6.6.1 新型专家系统的特征并行与分布处理多专家系统协同工作高级语言和知识语言描述具有自学习功能

23、引入新的推理机制具有自纠错和自完善能力先进的智能人机接口426.6.2 分布式( distributed)专家系统主要目的：把一个专家系统的功能经分解以后分布到多个处理器上去并行地工作，从而在总体上提高系统的处理效率。可以工作在紧耦合的多处理器系统环境中，也可工作在松耦合的计算机网络环境里，所以其总体结构在很大程度上依赖于其所在的硬件环境。43设计和实现分布式专家系统，需要解决的问题：功能分布 把分解得到的系统各部分功能或任务合理均衡地分配到各处理节点上去知识分布 根据功能分布的情况把有关知识经合理划分以后分配到各处理节点上接口设计 各部分间接口的设计目的是要达到各部分之间互相通讯和同步容易进行系统结构 一方面依赖于应用的环境与性质，另一方面依赖于其所处的硬件环境驱动方式 可供选择的几种驱动方式：(1) 控制驱动，(2) 数据驱动，(3) 需求驱动，(4) 事件驱动446.6.3 协同式(synergetic )专家系统一般专家系统解题的领域面很窄协同式多专家系统是克服一般专家系统的局限性的一个重要途径。协同式多专家系统亦可称“群专家系统”45设计与建立一个协同式多专家系统，需要解决的问题：任务的分解 公共知识的导出 讨论方式 驱动方式466.7