人工智能之专家系统

专家系统原理与设计专家系统原理与设计1.专家系统的概念2.专家系统的构造3.专家系统设计与实现4.专家系统开发工具与环境

1、专家系统的概念1.1什么是专家系统亦称专家咨询系统，它是一种具有大量专门知识与阅历的智能计算机系统，通常，主要指软件系统。它把专门领域中人类专家的知识和思索处理问题的方法、阅历和窍门组织整理且存储在计算机中，不但能模拟领域专家的思想过程，而且能让计算机宛如人类专家那样智能地处理实践问题。狭义地讲，专家系统就是人类专家智慧的拷贝，是人类专家的某种化身。广义地讲，专家系统也泛指那些具有“专家级〞程度的知识系统，从总体上到达专家级程度。1.2专家系统的特点：专家系统与人类专家比较具有以下一些特点:1〕专家系统是人类专家智能的模拟、延伸和扩展。2〕专家系统是专家可以信任和利用的高程度智能助手和有效工具。3〕专家系统可具有一个或多个专家的知识和阅历，具有专门知识的启发性，能以接近于人类专家的程度在特定领域任务，注重特定问题的求解。4〕专家系统能高效、准确、迅速地任务。5〕专家系统突破了时间和空间的限制，程序可永久保管并可复制。6〕专家系统能进展有效推理。7〕具有透明性，能以可了解的方式解释推理过程。8〕具有自学习才干，总结规律，扩展和完善系统本身。同普通的计算机运用系统〔如数值计算、数据处置系统等〕相比，专家系统具有以下特点：(1)从处置的问题性质看，专家系统擅长处理那些不确定性的、非构造化的、没有算法解或虽有算法解但在现有的机器上无法实施的困难问题。(2)从处置问题的方法看，专家系统那么是靠知识和推理来处理问题〔不像传统软件系统运用固定的算法来处理问题〕，所以，专家系统是基于知识的智能问题求解系统。(3)从系统的构造来看，专家系统那么强调知识与推理的分别，因此系统具有很好的灵敏性和可扩展性。(4)专家系统普通还具有解释功能，即在运转过程中一方面能回答用户提出的问题，另一方面还能对最后的输出〔结论〕或处置问题的过程作出解释。(5)有些专家系统还具有“自学习〞才干，即不断对本人的知识进展扩展、完善和提炼。这一点是传统系统所无法比较的。(6)专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘，易受环境、心情等的影响，它可一直如一地以专家级的高程度求解问题。1.3知识的编程和传统的计算机编程的比较工程 知识型编程 传统编程 内容 知识的定义、表示和运用 数据处置步骤的描画和运用才干 超越程序员了解程度 与程序员了解程度相等 表现 与阐明型为主 与过程型为主 模型 思索模型 处置模型 用途 对大知识库处置、问题求解对大数据库进展处置 手法 符号处置 数值处置 运算 推理控制过程 反复计算过程 了解 容易 困难 扩展 容易 困难 解释 容易做到在运转中解释 不容易做到在运转中解释 处置 高度的集成处置 顺序的批处置 规那么 启发式 算法式 1.4专家系统的类型关于专家系统的分类，目前还无定论。仅从几个不同的侧面对此进展讨论。1.按用途分类按用途分类，专家系统可分为：诊断型、解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型等几种类型。2.按输出结果分类按输出结果分类，专家系统可分为分析型和设计型。3.按知识表示分类目前所用的知识表示方式有：产生式规那么、一阶谓词逻辑、框架、语义网等。4.按知识分类知识可分为确定性知识和不确定性知识，所以，按知识分类，专家系统又可分为准确推理型和不准确推理型〔如，模糊专家系统〕。5.按技术分类按采用的技术分类，专家系统可分为符号推理专家系统和神经网络专家系统。6.按规模分类按规模分类，可分为大型协同式专家系统和微专家系统。7.按构造分类按构造分类可分为集中式和分布式，单机型和网络型(即网上专家系统)。神经网络ES自动获取模块输入、组织并存储专家提供的学习实例、选定神经网络的构造、调用神经网络的学习算法，为知识库实现知识获取。当新的学习实例输入后，知识获取模块经过对新实例的学习，自动获得新的网络权值分布，从而更新了知识库。如下图。学习例如网络构造学习算法解释器知识获取知识库推理机神经网络ES的根本构造用户神经网络专家

2.1概念构造从概念来讲，一个专家系统应具有如图1所示的普通构造方式。其中知识库和推理机是两个最根本的模块。1.知识库〔KnowledgeBase)所谓知识库，就是以某种表示方式存储于计算机中的知识的集合。知识库通常是以一个个文件的方式存放于外部介质上，专家系统运转时将被调入内存。知识库中的知识普通包括专家知识、领域知识和元知识。2、专家系统的构造图1专家系统的概念构造2.推理机〔InferenseEngine〕所谓推理机，就是实现〔机器〕推理的程序。这里的推理，是一个广义的概念，它既包括通常的逻辑推理，也包括基于产生式的操作。例如：A→BAB3.动态数据库动态数据库也称全局数据库、综合数据库、任务存储器、黑板等，它是存放初始证据现实、推理结果和控制信息的场所，或者说它是上述各种数据构成的集合。4.人机界面这里的人机界面指的是最终用户与专家系统的交互界面。5.解释模块解释程序模块专门担任向用户解释专家系统的行为和结果。6.知识库管理系统知识库管理系统是知识库的支撑软件。知识库管理系统对知识库的作用，类似于数据库管理系统对数据库的作用，其功能包括知识库的建立、删除、重组；知识的获取〔主要指录入和编辑〕、维护、查询、更新；以及对知识的检查，包括一致性、冗余性和完好性检查等等。图2专家系统的理想构造2.2实践构造上面引见的专家系统构造，是专家系统的概念模型，或者说是只强调知识和推理这一主要特征的专家系统构造。但专家系统终究仍是一种计算机运用系统。所以，它与其它运用系一致样是处理实践问题的。而实践问题往往是错综复杂的，比如，能够需求多次推理或多路推理或多层推理才干处理，而知识库也能够是多块或多层的。图3专家系统的实践构造例如总控处置模块1处置模块n专家模块1专家模块m…………图4地质图件绘制智能辅助系统构造2.3网络与分布式构造在网络环境下，专家系统也可以设计成网络构造，如“客户机/效力器〞(Client/Server)构造〔如图5(a)所示〕，或阅读器/效力器(Browser/Server)构造(如图5(b)所示)。我们称后一种构造的专家系统为网上专家系统。分布式构造那么是一种适宜于分布式计算环境的专家系统。例如那些多学科、多专家结协作业，协同解题的大型专家系统，就可以设计成分布式构造。这类专家系统也就称为分布式专家系统。图5专家系统的客户(机)/效力器构造及阅读器/效力器构造知识库推理机推理机知识库人—机界面人—机界面客户〔机〕Browser效力器WebServerInternet3、专家系统设计与实现3.1ES设计的原那么根据ES的特点，在设计中应遵照以下原那么：⑴专门义务。ES设计应面向专家知识和阅历行之有效的场所，面向专业性的专门义务。⑵原型设计。采用“最小系统观念〞进展系统原型设计，逐渐修正、扩展和完善。⑶专家协作。领域专家与知识工程师相互协作，是知识获取胜利的关键。⑷用户参与。用户参与ES的设计和开发，有助于人-机接口设计及系统的运转和评价。⑸辅助工具。采用ES开发工具进展辅助设计，自创已有系统阅历，提高设计效率。

专家系统设计与实现的普经过程系统维护与完善选题与明确义务系统需求分析知识获取与概念化知识的方式化表示系统设计编程与调试测试与评价专家系统设计与实现的普经过程再选题再测评精化再设计再获取再构成再分析

专家系统设计构造图知识源学习模块用户接口模块结论模块问题了解模块推理机模块可信度模块知识获取模块知识库模块规那么库 知识库 现实库 知识解释模块建立专家系统的普通步骤由图中可以看出，专家系统的开发有如下特点：(1)知识获取与知识表示设计是一切任务的起点；(2)知识表示以及知识描画言语确定后，各项设计〔图中并列的六个设计〕可同时进展。还需阐明的是：(1)对于一个实践的专家系统，在系统分析阶段就应该首先弄清楚：系统中哪里需求专家知识，专家知识的作用是什么？以及系统中各专家模块的输入是什么？处置是什么？输出又是什么？(2)系统投入运转后，普通来说，其知识库还需不断扩展、更新、完善和优化。所以专家系统的开发更适宜采用快速原型法。(3)对系统的评价主要看它处理问题能否到达专家程度。(4)上述的所谓“纯专家系统〞就是一个实践专家系统中的专家模块部分。那么，对于系统其他部分的分析与设计，原那么上讲，与普通计算机运用系统完全一样，即可按软件工程规范和程序进展。3.2知识获取知识获取是建造专家系统的关键一步，也是较为困难的一步，被称为建造专家系统的“瓶颈〞。知识获取大体有三种途径。1.人工获取人工获取，即计算机人员〔或知识工程师〕与领域专家协作，对有关领域知识和专家知识，进展发掘、搜集、分析、综合、整理、归纳，然后以某种表示方式存入知识库。2.半自动获取半自动获取，即利用某种专门的知识获取系统，采取提示、指点或问答的方式，协助专家提取、归纳有关知识，并自动记入知识库。3.自动获取自动获取又可分为两种方式：一种是系统本身具有一种机制，使得系统在运转过程中能不断地总结阅历，并修正和扩展本人的知识库；另一种是开发专门的机器学习系统，让机器自动从实践问题中获取知识，并填充知识库。3.3知识表示与知识描画言语设计知识表示与知识描画言语设计是根据所获得知识的特点，选择或设计某种知识表示方式，并为这种表示方式设计相应的知识描画言语。所谓知识描画言语，就是知识的详细语法构造方式。所以，知识描画言语既要面向人、面向用户，又要面向知识表示、面向机器，还要面向推理、面向知识运用。这就要求知识描画言语既能为用户提供一种方便、易懂的外部知识表达方式，又能将这种外部表示转换成容易存储、管理、运用的内部方式。3.4知识库与知识库管理系统设计知识库是专家系统的中心。知识库的质量直接关系到整个系统的性能和效率。因此，知识库涉及知识的组织与管理。知识的组织决议了知识库的构造，知识的管理包括知识库的建立、删除、重组及维护和知识的录入、查询、更新、优化等，还有知识的完好性、一致性、冗余性检查和平安维护等方面的任务。知识管理由知识库管理系统担任。1.知识库设计知识库设计主要是设计知识库的构造，即知识的组织方式。专家系统〔或知识工程〕中所涉及的知识库，普通取层次构造或网状构造方式。这种构造方式是把知识按某种原那么进展分类，然后分块分层组织存放，如按元知识、专家知识、领域知识等分层组织；而每一块和每一层还可以再分块分层。这样，整个知识库就呈树型或网状构造。例如，以下图所示的就是一个医疗诊断知识库的层次构造。医疗诊断知识库层次构造医疗诊断知识库消化系统知识库呼吸系统知识库……肝病知识库胃病知识库……2.知识库管理系统设计知识库管理系统应包括知识一级和知识库一级的各种管理功能。1)知识操作功能设计知识操作功能包括知识的添加、删除、修正、查询和统计等。这些功能可采用两种方法来实现。一种方法就是利用屏幕窗口，经过人机对话方式实现知识的增、删、改、

查等；另一种方法就是用全屏幕编辑方式，让用户直接用键盘按知识描画言语的语法格式编辑知识。2)知识检查功能设计知识检查包括知识的一致性、完好性、冗余性等检查。所谓知识的一致性，就是知识库中的知识必需是相容的，即无矛盾。例如，下面的两条规那么r1:ifPthenQr2:ifPthenQ就是矛盾的。那么，像这样的规那么就不能同时存在于一个知识库中。所谓完好性，是指知识中的约束条件，称为完好性约束。例如，小王的身高x米，那么必需满足：x<3米；又如，弟弟今年x岁，哥哥今年y岁，那么必需满足x<y。否那么就破坏了知识的完好性。所谓冗余性，就是反复、多余等。冗余性检查就是检查知识库中的知识能否存在冗余。也就是要求不能存在冗余。冗余的表现有反复、包含、环路等景象。例如，下面的三条规那么：r1:ifPthenQr2:ifQthenRr3:ifPthenR3)知识库操作设计知识库操作包括知识库〔文件〕的建立、删除、分解、合并等。这里着重要阐明的是知识库的分解与合并。这两种功能类似于关系数据库的投影、选择和衔接操作，它们实现的是知识库的重组。我们说，知识库的重组也是能够甚至是必要的。由于随着系统的运转，能够会发现原先的知识组合不合理，因此就需求重新组合，这时就需求运用知识库的分解与合并功能。3.5推理机与解释功能设计1.从哪里着手;推理机是与知识库对应的专家系统的另一重要部件。推理机的推理是基于知识库中的知识进展的。所以，推理机就必需与知识库及其知识相顺应、相配套。详细来讲，就是推理机必需与知识库的构造、层次以及其中知识的详细表示方式等相协调、相匹配。否那么，推理机与知识库将无法接轨。因此，设计推理机时，首先得对知识库有所了解。2.还应思索些什么对推理机本身而言，还要思索推理的方式、方法和控制战略等。例如，对于推理方式，是正向推理，还是反向推理或双向推理？是准确推理，还是不准确推理？是串行推理，还是并行推理？是单调推理，还是非单调推理？又如，对于推理方法，是用归结法，还是用自然演绎法？对于不准确推理采用什么样的推理模型？还有，对于搜索控制，是采用深度优先还是广度优先，对于冲突消解是根据优先数，还是可信度或程度〔即隶属度〕等等。3.算法设计与程序设计做了上述的分析以后，就可着手设计推理机的算法了。对于一个基于规那么的系统来说，其推理机也就相当于产生式系统中的执行控制部件，所以其运转过程也就是产生系统的运转过程，因此，产生式系统所采用的算法，或者图搜索中所用的算法也就是这里的推理机所用的算法。算法确定后，就可进展程序设计。至于推理机用何种程序文语实现，这个并无什么限制，如可以用传统的LISP或PROLOG言语，也用当前流行的C或C++言语。4.解释机制如何实现另外，在推理机的设计中还得思索解释机制。由于专家系统普通要求要有解释功能。即在推理中要能回答用户“为什么〞的问题，在推理终了后，要能回答“怎样样〔得到结果〕〞的问题。从系统的构造上讲，普通是把解释作为一个独立的模块，但实践上解释功能也是与推理机亲密相关的。由于要解释就必需对推理进展实时跟踪。3.6系统构造设计系统构成技术被称为人工智能的三大技术之一。所以，对一个专家系统来说，其体系构培育显得非常重要。虽然从原理来讲，专家系统由知识库、推理机等部分组成，但由于受问题领域、系统规模、知识表示方法、知识库构造以及其他特殊性等诸多要素的影响，故专家系统的体系构造难以构成固定的方式。普通来讲，有诸如独立式〔一个“纯〞专家模块〕、混合式〔还有其他处置模块〕、集中式、分布式、层次式以及“黑板模型〞等。3.7人机界面设计人机界面对于一个适用专家系统(特别是咨询型知识系统)来说至关重要。一个专家系统普通有两个人机界面：一个是面向系统开发和维护者的；一个是面向最终运用者的。前一个界面由开发工具提供；后一个那么是专家系统本身的一部分。由于图形用户界面(GUI)的广泛运用，所以目前专家系统的开发界面已到达相当高的程度。而专家系统的运用界面相对还比较落后。这是由于，运用界面往往要涉及“人机对话〞，如人对系统的讯问、系统对人的回答，特别是系统对用户的解释。

4专家系统开发工具与环境

4.1专家系统开发工具专家系统(ES)工具有时也叫做ES外壳和ES环境，主要是研制样机的工具，经过抽调某个ES的知识库，就可从特殊的ES中抽出外壳来而成为ES工具。ES工具支持的功能包括：推理过程、数据存取、自然言语对话的界面(接口)、过程的界面、解释功能。

ES开发工具和环境可分为五种主要类型:程序设计言语、知识工程言语、辅助型工具、支持工具及开发环境，如下图。专家系统建造方法可以分成以下三种:①利用计算机高级言语编写建造ES；②利用计算机程序设计环境编写建造ES；③用计算机程序设计工具建造ES。专家系统工具和环境专家系统工具和环境的组成程序设计言语知识工程言语辅助型工具支持工具开发环境面向问题的言语符号处置言语骨架型通用型知识获取系统设计助手程序设计辅助解释设备4.2专家系统言语型工具4.2.1程序设计言语程序设计言语包括面向问题的言语和符号处置言语。面向问题的言语是为特定的问题类型而设计的，其主要代表有C、PASCAL、ADA等，它们在处置代数运算方面有很方便的特征；符号处置言语是为人工智能运用而设计的，它的主要代表有以LISP为代表的函数型言语，以Prolog为代表的逻辑型言语，以及C++、Java等为代表的面向对象言语。这些言语典型的特点是具有很强的递归功能4.2.2知识工程言语骨架型知识工程言语骨架型知识工程言语也称为专家系统外壳，它是由一些曾经成熟的详细专家系统演化来的。其演化方法是，抽去这些专家系统中的详细知识，保管它们的体系构造和推理机功能，再把领域公用的界面改为通用界面，这样，就可得到相应的专家系统外壳。当用它来建造专家系统时，只须把相应领域的专家知识用外壳规定的知识表示方式装入知识库，就可以快速地产生一个新的专家系统。ES外壳的典型代表有EMYCIN、KAS及EXPERT等通用型知识工程言语通用型ES开发工具，是专门用于构造和调试ES的通用程序设计言语。它是完全重新设计的一类ES开发工具，不依赖于任何已有ES，不针对任何详细领域，可以处置不同问题领域和不同问题类型。它比骨架系统提供了更多的对数据存取和查找的控制，具有更大的灵敏性和通用性，但比较难于运用。表通用型知识工程言语4.3专家系统设计工具4.3.1辅助型工具ES辅助工具是ES开发工具中支撑环境的一部分，主要用于协助建造高质量的知识库和调试ES，包括一些用来协助获取知识、表达知识的程序，以及协助知识工程师设计ES的程序。1.知识获取辅助工具