新编-第六章-专家系统课件

第六章专家系统6.1专家系统的基本概念6.2专家系统的结构6.3知识表示6.4机器推理6.5专家系统的开发6.6专家系统应用中的问题2022/12/211第六章专家系统6.1专家系统的基本概念2022/126.1专家系统的基本概念6.1.1专家系统的产生和发展6.1.2专家系统的作用和意义6.1.3专家系统的特点2022/12/2126.1专家系统的基本概念6.1.1专家系统的产生和发展26.2专家系统的结构6.2.1专家系统的一般结构6.2.2黑板结构2022/12/2136.2专家系统的结构6.2.1专家系统的一般结构20226.3知识表示6.3.1知识表示的基本问题6.3.2一阶谓词逻辑6.3.3产生式系统6.3.4框架理论6.3.5语义网络6.3.6元知识2022/12/2146.3知识表示6.3.1知识表示的基本问题2022/126.4机器推理6.4.1人类推理的基本类型6.4.2谓词逻辑的演绎推理6.4.3产生式规则推理6.4.4语义网络推理6.4.5框架推理6.4.6控制策略2022/12/2156.4机器推理6.4.1人类推理的基本类型2022/126.5专家系统的开发6.5.1专家系统的开发过程6.5.2专家系统开发工具2022/12/2166.5专家系统的开发6.5.1专家系统的开发过程20226.1专家系统的基本概念专家系统（ExpertSystem，简称ES）是一种计算机信息系统。其主要任务是研究怎样使计算机模仿人脑所从事的推理、学习，思考、规划等思维活动，解决需要人类专家才能处理的复杂问题，如医疗诊断、气象预报、运输调度和管理决策等。所以，专家系统是一个具有大量专门知识与经验的系统，它应用人工智能技术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识、经验进行推理和判断，模拟人类专家做决定的过程，解决需要专家决定的复杂问题。从实用角度看，专家系统是一门工程学科：它以知识为研究对象，研究知识的获取、知识的表示方法和知识的使用。2022/12/2176.1专家系统的基本概念专家系统（ExpertSyste1970年，匹兹堡大学开发了一个辅助医生诊断内科疾病的专家系统CADAUCEUS。经过不断的完善，七年之后，这一系统共有100，000条规则，约占该领域全部知识的85%。在诊断过程中，该系统首先用自底向上的策略分析病例，然后转向自顶向下的策略进行诊断。1971年，麻省理工学院计算机实验室开发成功了专家系统MACSYMA，这是一个数学领域的专家系统。在早期的专家系统中，它的规模最大，有30万行LISP程序，开发该系统历时约100个人年。6.1.1专家系统的产生和发展2022/12/2181970年，匹兹堡大学开发了一个辅助医生诊断内科疾病的专家系1972年，在专家系统发展历史上具有十分重要地位的系统MYCIN在斯坦福大学投入了开发。MYCIN对知识表示、搜索策略、人机界面、知识获取和开发工具等一系列专家系统中的重大课题都有杰出的贡献，为以后专家系统的开发提供了一个通用的框架。MYCIN系统用于诊断和治疗细菌感染血液病，它的知识库是以产生式规则为基础，约有400条规则。MYCIN系统首次使用了获取知识的工具TIERESIAL，它通过元知识来增加和更新知识，TIERESIAL同专家系统的界面是一个自然语言的子集。这些系统都达到了领域专家的水平。6.1.1专家系统的产生和发展2022/12/2191972年，在专家系统发展历史上具有十分重要地位的系统MYC1978年前后，从MYCIN系统中逐渐发展出了EMYCIN(EmptyMYCIN)系统，它包括全部了MYCIN中的逻辑结构，但没有专门的知识。因而，它是一个通用的专家系统。从此，专家系统外壳，这一专家系统的开发工具产生了。专家系统外壳包含有全部的逻辑结构和推理策略，但没有具体的领域知识。用EMYCIN系统作为开发工具而研制的第一个专家系统是PUFF。该系统是一个肺功能疾病诊断系统。它以EMYCIN作外壳，输入了有关肺功能疾病的知识。测试仪器测出一个人的肺活量以及肺向血液释放氧气和从血液回收二氧化碳的功能，这些数据可以帮助肺功能疾病诊断。系统直接从测试仪器获取数据，并向大夫提供经过分析后的意见。6.1.1专家系统的产生和发展2022/12/21101978年前后，从MYCIN系统中逐渐发展出了EMYCIN20世纪70年代后期，斯坦福研究所研制了一个地质勘探专家系统。这是一个基于规则的系统，但其数据结构采用了语义网络方法。同前面介绍的专家系统一样，这个系统是地质专家和人工智能专家合作的产物。它通过分析地质勘探数据来确定矿藏分布，选择钻井井位。由于70年代专家系统研究和应用的成功，20世纪80年代以后，专家系统在众多的领域得到更为广泛的应用。6.1.1专家系统的产生和发展2022/12/211120世纪70年代后期，斯坦福研究所研制了一个地质勘探专家系统6.1.2专家系统的作用和意义目前，专家系统的应用领域越来越广，在解决实际问题中所起的作用也越来越大。专家系统的迅速发展是由于它具有以下作用和意义。专家系统能够高效、准确、全面、迅速且不疲倦地工作；专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响；专家系统使专家的专长不受时间和空间的限制；专家系统促进了领域的发展；专家系统汇集许多领域专家的知识与经验。2022/12/21126.1.2专家系统的作用和意义目前，专家系统的应用领域越来6.1.3专家系统的特点启发性：家系统主要用来解决需要人类专家求解的问题，如医生对患者进行诊断。这些问题难于形式化和转换成计算问题。同时，领域知识通常具有多义性或不确定性，专家的作用正是利用其经验来使用知识，排除结论的多义性及不确定性。所以，专家系统能运用人类专家的知识经验进行评砗团卸稀透明性：由于专家系统所求解的问题具有多义性及不确定性，所以需要专家系统能解释本身的推理过程，回答用户对结论所提出的问题。灵活性：人类专家的知识的经验不是静止的，而是不断丰富，不断增长的。专家系统也是一样，它通过其知识获取机制，能不断地丰富、校正知识，从而更好地工作。2022/12/21136.1.3专家系统的特点启发性：家系统主要用来解决需要人类专家系统的类型解释专家系统预测专家系统诊断专家系统设计专家系统规划专家系统监视专家系统控制专家系统调试专家系统教学专家系统修理专家系统2022/12/2114专家系统的类型解释专家系统监视专家系统2022/12/171解释专家系统任务通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况特点数据量很大，常不准确、有错误、不完全能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设，推理过程可能很复杂和很长例子语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。2022/12/2115解释专家系统任务通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可预测专家系统任务通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。特点系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全，系统需要有适应时间变化的动态模型例子有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预测和谷物产量预测等2022/12/2116预测专家系统任务通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它诊断专家系统任务根据观察到的情况(数据)来推断出某个对象机能失常(即故障)的原因特点能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系，能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象，能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断例子医疗诊断、电子机械和软件故障诊断以及材料失效诊断等。2022/12/2117诊断专家系统任务根据观察到的情况(数据)来推断出某个对象设计专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。特点从多种约束中得到符合要求的设计；系统需要检索较大的可能解空间；能试验性地构造出可能设计；易于修改；能够使用已有设计来解释当前新的设计。例子

VAX计算机结构设计专家系统等。2022/12/2118设计专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步规划专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。特点所要规划的目标可能是动态的或静态的，需要对未来动作做出预测，所涉及的问题可能很复杂。例子军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。2022/12/2119规划专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步监视专家系统任务对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。特点系统具有快速反应能力，发出的警报要有很高的准确性，能够动态地处理其输入信息。例子粘虫测报专家系统。2022/12/2120监视专家系统任务对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把控制专家系统任务自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。特点控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。例子空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和质量控制等。2022/12/2121控制专家系统任务自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为调试专家系统任务对失灵的对象给出处理意见和方法。特点同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。例子在这方面的实例还比较少见。2022/12/2122调试专家系统任务对失灵的对象给出处理意见和方法。2022教学专家系统任务:教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。特点

(1)同时具有诊断和调试等功能。

(2)具有良好的人机界面。例子

MACSYMA符号积分与定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等。2022/12/2123教学专家系统任务:教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点修理专家系统任务对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。例子美国贝尔实验室的ACI电话和有线电视维护修理系统。此外，还有决策专家系统和咨询专家系统等。2022/12/2124修理专家系统任务对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，Questions1．能根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导的专家系统是：A．解释专家系统B．调试专家系统C．监视专家系统D．教学专家系统2．用于寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤的专家系统是：A．设计专家系统B．诊断专家系统C．预测专家系统D．规划专家系统3．能对发生故障的对象（系统或设备）进行处理，使其恢复正常工作的专家系统是：A．修理专家系统B．诊断专家系统C．调试专家系统D．规划专家系统4．能通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况的专家系统是：A．修理专家系统B．预测专家系统C．调试专家系统D．规划专家系统2022/12/2125Questions1．能根据学生的特点、弱点和基础知识，以最6.2.1专家系统的一般结构知识库知识库管理系统推理机数据库知识获取与学习系统解释系统用户接口2022/12/21266.2.1专家系统的一般结构知识库2022/12/17266.2.2黑板结构1976年，F.HayesRoth，V.R.Lesser，L.D.Erman等人研制出了HEARSAYⅡ系统。HEARSAYⅡ是一个用于语音识别的专家系统。该系统首次采用了黑板结构。此后，黑板结构得到了广泛的应用，并发展成为一种流行的系统构造技术。黑板结构是一种模拟人类专家解决问题过程的方法。人类在解决复杂问题时，往往需要多名来自不同领域的专家，这些专家聚集在一起，对问题的某一方面发表各自的看法，每个专家可以把自己的解决方案写在黑板上。这样，其他专家都可看到，并能参与讨论，使用有关的结果。最后，通过综合每个专家对局部问题的求解，最终解决整个问题。2022/12/21276.2.2黑板结构1976年，F.HayesRoth，V知识源黑板控制黑板结构系统2022/12/2128知识源黑板结构系统2022/12/1728层次K层次2KSnKS2KS1

监督程序调度程序控制数据库调度队列层次2层次1黑板结构系统2022/12/2129层次KKSnKS2KS1监督程序调度程序控制数据库调度队6.3知识表示知识表示所要解决的问题是将已获得的有关领域的知识以计算机内部数据的形式加以合理地描述、存储，以使系统能有效地利用这些知识。知识表示是研究用机器表示知识的可行性、有效性的一般方法，是一种数据结构与控制结构的统一体，在知识表示中，既要考虑知识的存储，又要考虑知识的使用。知识表示可看成是一组描述事物的约定，以把人类知识转换成计算机能处理的数据结构。2022/12/21306.3知识表示知识表示所要解决的问题是将已获得的有关领域的知识表示知识表示的基本问题一阶谓词逻辑产生式系统框架理论语义网络元知识2022/12/2131知识表示知识表示的基本问题2022/12/17316.4机器推理人类推理的基本类型谓词逻辑的演绎推理产生式规则推理语义网络推理框架推理控制策略2022/12/21326.4机器推理人类推理的基本类型2022/12/1732第六章专家系统6.1专家系统的基本概念6.2专家系统的结构6.3知识表示6.4机器推理6.5专家系统的开发6.6专家系统应用中的问题2022/12/2133第六章专家系统6.1专家系统的基本概念2022/126.1专家系统的基本概念6.1.1专家系统的产生和发展6.1.2专家系统的作用和意义6.1.3专家系统的特点2022/12/21346.1专家系统的基本概念6.1.1专家系统的产生和发展26.2专家系统的结构6.2.1专家系统的一般结构6.2.2黑板结构2022/12/21356.2专家系统的结构6.2.1专家系统的一般结构20226.3知识表示6.3.1知识表示的基本问题6.3.2一阶谓词逻辑6.3.3产生式系统6.3.4框架理论6.3.5语义网络6.3.6元知识2022/12/21366.3知识表示6.3.1知识表示的基本问题2022/126.4机器推理6.4.1人类推理的基本类型6.4.2谓词逻辑的演绎推理6.4.3产生式规则推理6.4.4语义网络推理6.4.5框架推理6.4.6控制策略2022/12/21376.4机器推理6.4.1人类推理的基本类型2022/126.5专家系统的开发6.5.1专家系统的开发过程6.5.2专家系统开发工具2022/12/21386.5专家系统的开发6.5.1专家系统的开发过程20226.1专家系统的基本概念专家系统（ExpertSystem，简称ES）是一种计算机信息系统。其主要任务是研究怎样使计算机模仿人脑所从事的推理、学习，思考、规划等思维活动，解决需要人类专家才能处理的复杂问题，如医疗诊断、气象预报、运输调度和管理决策等。所以，专家系统是一个具有大量专门知识与经验的系统，它应用人工智能技术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识、经验进行推理和判断，模拟人类专家做决定的过程，解决需要专家决定的复杂问题。从实用角度看，专家系统是一门工程学科：它以知识为研究对象，研究知识的获取、知识的表示方法和知识的使用。2022/12/21396.1专家系统的基本概念专家系统（ExpertSyste1970年，匹兹堡大学开发了一个辅助医生诊断内科疾病的专家系统CADAUCEUS。经过不断的完善，七年之后，这一系统共有100，000条规则，约占该领域全部知识的85%。在诊断过程中，该系统首先用自底向上的策略分析病例，然后转向自顶向下的策略进行诊断。1971年，麻省理工学院计算机实验室开发成功了专家系统MACSYMA，这是一个数学领域的专家系统。在早期的专家系统中，它的规模最大，有30万行LISP程序，开发该系统历时约100个人年。6.1.1专家系统的产生和发展2022/12/21401970年，匹兹堡大学开发了一个辅助医生诊断内科疾病的专家系1972年，在专家系统发展历史上具有十分重要地位的系统MYCIN在斯坦福大学投入了开发。MYCIN对知识表示、搜索策略、人机界面、知识获取和开发工具等一系列专家系统中的重大课题都有杰出的贡献，为以后专家系统的开发提供了一个通用的框架。MYCIN系统用于诊断和治疗细菌感染血液病，它的知识库是以产生式规则为基础，约有400条规则。MYCIN系统首次使用了获取知识的工具TIERESIAL，它通过元知识来增加和更新知识，TIERESIAL同专家系统的界面是一个自然语言的子集。这些系统都达到了领域专家的水平。6.1.1专家系统的产生和发展2022/12/21411972年，在专家系统发展历史上具有十分重要地位的系统MYC1978年前后，从MYCIN系统中逐渐发展出了EMYCIN(EmptyMYCIN)系统，它包括全部了MYCIN中的逻辑结构，但没有专门的知识。因而，它是一个通用的专家系统。从此，专家系统外壳，这一专家系统的开发工具产生了。专家系统外壳包含有全部的逻辑结构和推理策略，但没有具体的领域知识。用EMYCIN系统作为开发工具而研制的第一个专家系统是PUFF。该系统是一个肺功能疾病诊断系统。它以EMYCIN作外壳，输入了有关肺功能疾病的知识。测试仪器测出一个人的肺活量以及肺向血液释放氧气和从血液回收二氧化碳的功能，这些数据可以帮助肺功能疾病诊断。系统直接从测试仪器获取数据，并向大夫提供经过分析后的意见。6.1.1专家系统的产生和发展2022/12/21421978年前后，从MYCIN系统中逐渐发展出了EMYCIN20世纪70年代后期，斯坦福研究所研制了一个地质勘探专家系统。这是一个基于规则的系统，但其数据结构采用了语义网络方法。同前面介绍的专家系统一样，这个系统是地质专家和人工智能专家合作的产物。它通过分析地质勘探数据来确定矿藏分布，选择钻井井位。由于70年代专家系统研究和应用的成功，20世纪80年代以后，专家系统在众多的领域得到更为广泛的应用。6.1.1专家系统的产生和发展2022/12/214320世纪70年代后期，斯坦福研究所研制了一个地质勘探专家系统6.1.2专家系统的作用和意义目前，专家系统的应用领域越来越广，在解决实际问题中所起的作用也越来越大。专家系统的迅速发展是由于它具有以下作用和意义。专家系统能够高效、准确、全面、迅速且不疲倦地工作；专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响；专家系统使专家的专长不受时间和空间的限制；专家系统促进了领域的发展；专家系统汇集许多领域专家的知识与经验。2022/12/21446.1.2专家系统的作用和意义目前，专家系统的应用领域越来6.1.3专家系统的特点启发性：家系统主要用来解决需要人类专家求解的问题，如医生对患者进行诊断。这些问题难于形式化和转换成计算问题。同时，领域知识通常具有多义性或不确定性，专家的作用正是利用其经验来使用知识，排除结论的多义性及不确定性。所以，专家系统能运用人类专家的知识经验进行评砗团卸稀透明性：由于专家系统所求解的问题具有多义性及不确定性，所以需要专家系统能解释本身的推理过程，回答用户对结论所提出的问题。灵活性：人类专家的知识的经验不是静止的，而是不断丰富，不断增长的。专家系统也是一样，它通过其知识获取机制，能不断地丰富、校正知识，从而更好地工作。2022/12/21456.1.3专家系统的特点启发性：家系统主要用来解决需要人类专家系统的类型解释专家系统预测专家系统诊断专家系统设计专家系统规划专家系统监视专家系统控制专家系统调试专家系统教学专家系统修理专家系统2022/12/2146专家系统的类型解释专家系统监视专家系统2022/12/171解释专家系统任务通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况特点数据量很大，常不准确、有错误、不完全能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设，推理过程可能很复杂和很长例子语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。2022/12/2147解释专家系统任务通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可预测专家系统任务通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。特点系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全，系统需要有适应时间变化的动态模型例子有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预测和谷物产量预测等2022/12/2148预测专家系统任务通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它诊断专家系统任务根据观察到的情况(数据)来推断出某个对象机能失常(即故障)的原因特点能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系，能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象，能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断例子医疗诊断、电子机械和软件故障诊断以及材料失效诊断等。2022/12/2149诊断专家系统任务根据观察到的情况(数据)来推断出某个对象设计专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。特点从多种约束中得到符合要求的设计；系统需要检索较大的可能解空间；能试验性地构造出可能设计；易于修改；能够使用已有设计来解释当前新的设计。例子

VAX计算机结构设计专家系统等。2022/12/2150设计专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步规划专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。特点所要规划的目标可能是动态的或静态的，需要对未来动作做出预测，所涉及的问题可能很复杂。例子军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。2022/12/2151规划专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步监视专家系统任务对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。特点系统具有快速反应能力，发出的警报要有很高的准确性，能够动态地处理其输入信息。例子粘虫测报专家系统。2022/12/2152监视专家系统任务对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把控制专家系统任务自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。特点控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。例子空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和质量控制等。2022/12/2153控制专家系统任务自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为调试专家系统任务对失灵的对象给出处理意见和方法。特点同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。例子在这方面的实例还比较少见。2022/12/2154调试专家系统任务对失灵的对象给出处理意见和方法。2022教学专家系统任务:教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。特点

(1)同时具有诊断和调试等功能。

(2)具有良好的人机界面。例子

MACSYMA符号积分与定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等。2022/12/2155教学专家系统任务:教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点修理专家系统任务对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。例子美国贝尔实验室的ACI电话和有线电视维护修理系统。此外，还有决策专家系统和咨询专家系统等。2022/12/2156修理专家系统任务对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，Questions1．能根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导的专家系统是：A．解释专家系统B．调试专家系统C．监视专家系统D．教学专家系统2．用于寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤的专家系统是：A．设计专家系统B．诊断专家系统C．预测专家系统D．规划专家系统3．能对发生故障