第6章 专家系统

1、6.1 概述6.2 基于(jy)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Ch.6 Expert Systems第六章 专家系统(zhun ji x tn)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 小结共五十五页Experts are people who are very familiar with solving specific types of problems. Expert system is an intelligent computer program that can perform speci

2、al and difficult task in 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(zhun ji x tn)概述 What is an Expert Sy

3、stem?2共五十五页6.1 Introduction专家系统的先行者费根鲍姆（Feigenbaum）曾把专家系统定义为一个应用知识和推理过程来求解那些需要大量的人类专家解决难题经验的智能计算机程序。专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。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。专家系统为一模拟人类专家解决领域问

4、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(ync)，有时也把专家系统称为基于知识的系统（knowledge-based system）。3共五十五页6.1.1 Feature of Expert System (ES) 专家系统(zhun ji x tn)的特点Heuristic 启发性专家(zhunji)系统要解决的问题，其结构往往是不合理的，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(zhunji)本人的启发知识。 Use heuristic knowledge of expert to make inference, ju

5、dgment, decision and conclusion.4共五十五页Transparency 透明性Expert system can interpret its own inference process and answer users queries, so that user can understand the inference process，enhance 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(zhun ji x tn)的解释推理路径来验证。5共五十五页Flexibility 灵活性Ability to extend and

6、 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(xngnng)，即自学习能力。Reasoning Machine can select various relative knowledge from KB and construct problem solving sequences according to the particulars of the specific solved problems.6共五十五页Advantages of ES 优点(yudin)Provide

7、s 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 human might 7共五十五页Advantages of ES 优点(yudin)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行

8、工作(gngzu)。专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏和忘记。可以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共五十五页专家系统能汇集(huj)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，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。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很大的促

9、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。9共五十五页6.1.2 Structures & Building Step of ES 专家系统(zhun ji x tn)的结构和建造步骤定义：指专家系统各组成部分(z chn b fn)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共五十五页理想(lxing)专家系统的结构图图6.2 理想(lxing)专家系统的结

10、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共五十五页 Ideal Architecture of ESKnowledge BaseGlobal DatabaseReasoning MachineExplanatorInterface12共五十五页 Building Expert System 专家系统的建造(jinzo)步骤1. Design of Initial Knowledge Base Problem identification Knowledge conceptualization Concept formulization Rule formulat

11、ion Rule validation13共五十五页 Building Expert System 专家系统的建造(jinzo)步骤2. Development & test for prototype system3. Improvement & induction for the knowledge14共五十五页Date AcquisitionIndentifi-cationConceptu-alizationFormali-zationRuleFormalizationValidationKnowledgeConceptsStructureRulesConclusionRepresent

12、ation RefinementsReformulationsFig.6.3 Steps for designing knowledge baseStages for Designing KB15共五十五页知识化问题(wnt)图6.3建立专家系统(zhun ji x tn)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共五十五页 建立系统的一般步骤(bzhu)如下1.设计初始知识库问题(wnt)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17共五十五页6.2 Rule-based

13、Expert System 基于(jy)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(guz)）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共五十五页基于规则的专家系统(zhun ji x tn)采用下列模块来建立产生式系统的模型：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(shsh)和由规则激发而推断出的新事实(shsh)。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 。19共五十五页2. 基于(jy)规则专

14、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(guz)专家系统的结构20共五十五页6.2.2 Advantages of rule-based expert system 优点(yudin)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(jinch)启发性知识的使用不确定知识的使用可以合用变量21共五十五页6.2.2 Advantages of rule-based expert system 缺点(qudin)必需精确匹配(ppi)有不清楚的规则关系可能慢对一些问题不适用22共五十五页6.3 Fram

15、e-based Expert System 基于框架的专家系统(zhun ji x tn) 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(gngzu)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共五十五页特征(tzhng)名称(mngchng)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 (goal 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

16、24共五十五页2. 基于框架专家系统(zhun ji x tn)的一般设计方法基于框架专家系统的主要设计(shj)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共五十五页开发基于(jy)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(shw)、事物(shw)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

17、扩宽知识26共五十五页 6.3.2 基于框架专家系统的继承(jchng)、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(f bi)框架的特征的过程。异常处理多重继承27共五十五页 6.3.2 基于框架(kun ji)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(zh shi)。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共五十五页 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

18、限(shngxin)；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。29共五十五页6.4 Model-based Expert System 基于模型(mxng)的专家系统6.4.1 基于模型专家系统(zhun ji x tn)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30共五十五页6.4 Model-based Expert System 基于(jy)模型的专

19、家系统The contribution & limitation of Rule-based ESUse various qualitative models to AIAn expert system integrated with various models31共五十五页Features of the model-based ESParallel and distributed processingParallel algorithms (software)Multiprocessors (hardware) distributedSynchronous communication am

20、ong componentsSynergetic work with multiple ESHigh-level descriptive language32共五十五页Describe the function, performance and inference of ESDescribe domain knowledge for knowledge representationFeatures of the model-based ESSelf-learning function New inference techniques Advanced intellectual man-mach

21、ine interface33共五十五页 6.4.2 基于(jy)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(lu j)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共五十五页神经网络专家系统(zhun ji x tn)的基本结构知识(zh shi)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共五十五页神经网络专家系统的几个(j )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

22、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(tngy)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36共五十五页6.5 Web-based ES 基于(jy)Web的专家系统6.5.1 基于Web专家系统(zhun ji x tn)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，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37共五十五页1. 基于(jy)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Interne

23、t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(zhun ji x tn)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38共五十五页2. 基于Web的拖网(tuwng)绞机专家系统的结构 图6.12基于 Web的拖网绞机专家系统(zhun ji x tn)的结构 客户端客户端Web服务器数据库服务器全 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

24、户端知识库维护系统界面接口客户端专家知识工程师39共五十五页6.5.2 基于Web专家系统(zhun ji x tn)的实例1. 基于(jy) 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

25、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 40共五十五页2. 基于 Web的拖网(tuwng)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(guz)的推理 实例检索 回溯策略 Web数据库访问 41共五十五页6.6 New Types of ES 新型(xnxng)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引入新的推理机制具有自纠错和自完善

26、(wnshn)能力先进的智能人机接口42共五十五页6.6.2 分布式( distributed)专家系统(zhun ji x tn)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(bngxng)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共五十五页设计和实现分布式专家系统，需要(xyo)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(gnj)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

27、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44共五十五页6.6.3 协同式(synergetic )专家系统(zhun ji x tn)一般专家系统解题的领域(ln y)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共五十五页设计与建立一个协同式多专家系统(zhun ji x tn)，需要解决的问题：任务的分解 公共知识(zh shi)的导出

28、 讨论方式 驱动方式46共五十五页6.7 专家系统(zhun ji x tn)设计分为(fn wi)以下两部分介绍: 以设计一个基于规则的维修咨询系统为例，说明专家系统的设计过程。这一过程包括描述专家知识、应用知识和解释决策等。 专家知识的描述 知识的使用和决策解释 47共五十五页6.7.1 专家知识(zh shi)的描述结论的表示 结论规定了所涉及专门知识的范围观测的表示 观测是得到结论所需要的观察或量测结果推理规则的表示 产生(chnshng)式规则是决策规则最为常用的表示形式,可根据观测和假设之间的逻辑关系分成3类：(1) FF规则); (2) FH规则; (3) HH规则48共五十五页6.7.2 知识的使用和决策(juc)解释结论的分级与选择询问问题的策略固定的顺序(shnx)根据具体情况作出