专家系统第2章专家系统概述

2023/1/31ExpertSystemsandApplication1Chapter2ExpertSystems

第2章专家系统概述

ES的研制促进了AI理论和技术的发展，开辟了计算机求解非数值问题的有效途径。

ES已经成为世界各国最热门的、具有竞争性的研究课题，日本、美国、英国等国家纷纷将ES列为国家重点研究项目，投入了大量的人力和资金。日本把ES作为第五代计算机研究的核心内容，英国将ES/智能数据库列入国家四大重点项目。我国对于ES的研究起步较晚，但在理论研究和应用开发方面取得了很大进展，在中医治疗、油井记录分析、地震预测、气象预报、军事理论、作战模拟、战场管理等方面研制出一批ES，取得了明显的经济效益和社会影响。2023/1/31ExpertSystemsandApplication2Chapter2ExpertSystems2.1ES概述专家——在某一专业领域内，其专业知识与解决问题的能力达到很高水平的学者。专家的能力——专家对某一领域的理解及解决问题的技能。专业知识——分为公开知识和个人知识。公开知识包括定义、事实和理论，一般收录在教科书和文献中。个人知识来源于专家本人的积累和经验，也称为试验性知识或启发性知识。属于公开性知识之外的试验性知识能够使专家在需要的时候做出合理的猜测，识别最有希望获得成功的求解途径，并能有效地处理错误和不完全的数据。2023/1/31ExpertSystemsandApplication3Chapter2ExpertSystems（1）专家系统是利用存储在计算机中的某一特定领域人类专家的知识，来解决过去需要人类专家才能解决的复杂现实问题的计算机系统。如：医学专家可以针对不同的病症做出恰当的诊断，并开具相应的处方；地质专家可以根据地质资料和勘探数据，判断什么地方有矿及是否有开采价值；其他领域的专家可以依据他们的学识、积累的经验和练就的本领，解决现实中一般人一时无法解决的复杂问题。（2）专家系统是一个由存放专门领域知识的数据库，以及一个能选择和运用知识的推理机制组成的计算机系统。（3）专家系统与传统计算机程序的根本区别在于：专家系统使知识库和运用知识的推理机制相互独立。2023/1/31ExpertSystemsandApplication4Chapter2ExpertSystems4）从程序设计方法学的角度看设计方法

传统的程序设计方法：数据+算法=程序专家系统的设计方法：知识+推理=系统可见，传统程序通过算法对大量的数据进行积累和处理，使繁琐的事务处理自动化；专家系统则要完成需要拥有专门知识的专家才能完成的量大而性质相对重要的任务，如诊断、规划、决策等。通常，专家系统需要考察大量的可能性，即动态地建立解决问题的方法。2023/1/31ExpertSystemsandApplication5Chapter2ExpertSystems2.2ES的功能与结构2.2.1ES的功能（1）ES能存储用于问题求解所需要的知识；（2）能存储具体问题求解的初始数据和推理过程中涉及到的各种信息，如中间结果、目标、子目标、假设等；（3）能根据当前输入或采集的数据，利用已有的知识，按照一定的推理策略解决当前的问题，并控制和协调整个系统；（4）能对推理过程、结论或系统自身行为做出必要的解释，如解题步骤、处理策略、选择此处理方法的理由、系统求解某种问题的能力、系统组织和管理自身知识的方法等。目的是便于用户理解和接受专家系统，也便于对系统进行维护。2023/1/31ExpertSystemsandApplication6Chapter2ExpertSystems2.2.2专家系统的结构1）基本结构专家系统的基本结构包括知识库和推理机两个主要部分。特点：系统结构简单；知识工程师与领域专家直接交互，知识工程师收集和整理领域专家的知识，将其转化为系统的内部表示形式，并存储到知识库中；推理机根据用户的问题求解要求和提供的初始数据，运用知识库中的知识对问题进行求解，并将产生的结果（结论）输出给用户。知识库知识工程师领域专家推理机结果数据用户图2-1专家系统的基本结构2023/1/31ExpertSystemsandApplication7Chapter2ExpertSystems2）一般结构专家系统的下述结构是目前比较流行的结构形式。人机接口用户专家推理机解释程序知识获取程序综合数据库知识库图2-2专家系统的一般结构2023/1/31ExpertSystemsandApplication8Chapter2ExpertSystems（1）知识库——用以存放领域专家提供的专门知识。包括书本知识、常识性知识以及专家依据其经验得到的试探性知识。专家系统的问题求解是运用专家提供的专门知识来模拟专家的思维方式进行的，知识库中知识的数量和质量是系统性能和问题求解能力的关键因素。因此，知识库的建立是建造专家系统的中心任务。（2）综合数据库——用于存放关于问题求解的初始数据、求解状态、中间结果、假设、目标以及最终求解结果。2023/1/31ExpertSystemsandApplication9Chapter2ExpertSystems（3）推理机——在控制策略下，针对综合数据库当前的信息，识别和选取知识库对当前问题求解有用的知识进行推理。由于知识的不完全和不确定，故其推理过程一般采用不精确推理。（4）知识获取程序——在专家系统的知识库建造过程中，用以部分代替知识工程师进行专门知识的自动获取，实现专家系统的自学习功能，使知识库不断得到完善。2023/1/31ExpertSystemsandApplication10Chapter2ExpertSystems（5）解释程序——根据用户的提问，对系统给出的结论、求解过程以及系统当前的求解状态提供说明，便于用户理解系统的问题求解，增强用户对求解结果的信任程度，也便于专家或知识工程师发现和定位知识库中的错误，也便于专业人员能从问题的求解过程中得到直观的学习。（6）人机接口——将专家或用户输入的信息翻译为系统可接受的内部形式，把系统向专家或用户输出的信息转换成人能够理解的外部形式。2023/1/31ExpertSystemsandApplication11Chapter2ExpertSystems2.3ES的基本特征1）具有人类专家水平的专门领域知识。2）具有符号处理能力。

专家系统使用符号推理，能用符号准确地表示某一领域有关的信息和知识，并对其进行各种处理和推理。3）具有一般问题的求解能力。

能够做一般的逻辑推理、目标搜索、常识处理等工作。而且，专家系统往往采取试探性方式进行处理。为了使问题求解更符合实际情况，往往采用不精确推理。2023/1/31ExpertSystemsandApplication12Chapter2ExpertSystems4）复杂度与难度。

专家系统拥有专门领域知识，涉及的面一般比较窄，但却具有相当的复杂程度与难度。5）具有解释功能。解释机制在专家系统建造时一般由一个独立的模块来实现，其设计水平的优劣对专家系统的性能影响很大。6）具有一定的获取知识的能力。7）知识与推理机构相互独立。专家系统一般把知识与推理机构分开，使系统具有良好的可扩充性和可维护性。2023/1/31ExpertSystemsandApplication13Chapter2ExpertSystems

综上所述，专家系统应该具有三个显著的特征：启发性——不仅能使用逻辑知识，也能使用启发性知识，运用规范的专门知识和直觉的评判知识进行判断、推理和联想，实现问题的求解。透明性——使用户在对专家系统不了解的情况下，可以进行交互，并了解知识的内容和推理思路。系统还能回答一些有关系统自身行为的问题。灵活性——由于专家系统的知识和推理机分离，使系统能不断接纳新知识，调整有关控制信息和结构，确保推理机和知识库的协调，也便于系统的修改和扩充。2023/1/31ExpertSystemsandApplication14Chapter2ExpertSystems2.4ES的分类按照专家系统的应用领域分类医疗专家系统，勘探专家系统，数学专家系统等。按照知识表示技术分类基于逻辑的专家系统，基于规则的专家系统，基于语义的专家系统，基于框架的专家系统等。按照推理控制策略分类正向推理专家系统，反向推理专家系统，元控制专家系统等。按照分类问题与构造问题分类

分类问题与分析型专家系统，构造问题与设计型专家系统等。2023/1/31ExpertSystemsandApplication15Chapter2ExpertSystems2.5ES的作用和意义1）计算机科学和应用发展的需要。2）作为一种实用工具，为人类专家宝贵知识的保存、传播、使用和评价提供有效的手段。3）可以延伸人类专家的能力。4）能汇集问题领域多个专家的知识和经验。5）专家系统的研制和推广应用具有巨大的经济效益和社会效益。2023/1/31ExpertSystemsandApplication16Chapter2ExpertSystems2.6ES的优点1）能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地工作。2）解决实际问题时不受外界和周围环境的影响，也不会发生遗漏和忘记。3）可以使人类专家的专长和能力不熟时间和空间的限制，以便推广西贵和稀缺的人类专家的知识和经验。4）专家系统能促进各领域的发展，能使各领域专家的专业知识和经验得到总结和提炼，能广泛的传播专家的知识、经验和能力。5）专家系统能汇集多领域专家的知识、经验以及他们写作解决重大问题的能力，使之拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。2023/1/31ExpertSystemsandApplication17Chapter2ExpertSystems6）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。7）专家系统的研制和应用具有巨大的经济效益和社会效益。8）研究