人工智能导论课件第6章第4-5节

1知识库2推理机3其他部分第4节6.4专家系统的结构专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。其中尤以知识库与推理机相互分离而别具特色。专家系统的体系结构随专家系统的类型、功

能和规模的不同，而有所差异。图6-7专家系统的基本结构6.4专家系统的结构基于规则的产生式系统是目前实现知识运用最基本的方法。产生式系统由综合数据库、知识库和推理机3个主要部分组成，综合数据库包含求解问题的世界范围内的事实和断言。知识库包含所有用“如果：〈前提〉，于是：〈结果〉”（If-Then规则）形式表达的知识规则。推理机（又称规则解释器）的任务是运用控制策略找到可以应用的规则。6.4.1知识库为了使计算机能运用专家的领域知识，必须要采用一定的方式表示知识。常用的知识表示方式有产生式规则、语义网络、框架、状态空间、逻辑模式、脚本、过程、面向对象等。6.4.1知识库知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平，也是专家系统设计的“瓶颈”问题。一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。6.4.2推理机推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。在这里，推理方式可以有正向和反向推理两种。正向链的策略是寻找出前提可以同数据库中的事实或断言相匹配的那些规则，并运用冲突的消除策略，从这些都可满足的规则中挑选出一个执行，从而改变原来数据库的内容。这样反复地进行寻找，直到数据库的事实与目标一致即找到解答，或者到没有规则可以与之匹配时才停止。6.4.2推理机逆向链的策略是从选定的目标出发，寻找执行后果可以达到目标的规则；如果这条规则的前提与数据库中的事实相匹配，问题就得到解决；否则把这条规则的前提作为新的子目标，并对新的子目标寻找可以运用的规则，执行逆向序列的前提，直到最后运用的规则的前提可以与数据库中的事实相匹配，或者直到没有规则再可以应用时，系统便以对话形式请求用户回答并输入必需的事实。可见，推理机就如同专家解决问题的思维方式，知识库就是通过推理机来实现其价值。6.4.3其他部分人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的存储区。解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。1DEDRAL专家系统2振动故障诊断的专家系统3自动牙科识别第5节6.5经典的专家系统近40多年来，人们建成了具有数以千计规则的专家系统，这些系统集成了众所周知的经过测试的方法来处理大量特定领域的数据，包括数据库、数据挖掘和机器学习。专家系统在多个领域中，如语言/自然语言理解、机器人学、医学诊断、工业设备故障诊断、教育、评估和信息检索等，人们己经采用了混合智能方法。6.5经典的专家系统1977年，中国科学院自动化研究所就基于关幼波先生的经验，研制成功了我国第一个“中医肝病诊治专家系统”。1985年10月中科院合肥智能所熊范纶建成“砂姜黑土小麦施肥专家咨询系统”，这是我国第一个农业专家系统。经过20多年努力，一个以农业专家系统为重要手段的智能化农业信息技术在我国取得了引人瞩目的成就，许多农业专家系统遍地开花，对我国农业持续发展发挥作用。中科院计算所史忠植与东海水产研究所等合作，研制了东海渔场预报专家系统。在专家系统开发工具方面，中科院数学研究所研制了专家系统开发环境“天马”，中科院合肥智能所研制了农业专家系统开发工具“雄风”，中科院计算所研制了面向对象专家系统开发工具“OKPS”。6.5.1DENDRAL专家系统DENDRAL专家系统历史悠久，这个项目开始于1965年，持续多年，涉及斯坦福大学的许多化学家和计算机科学家。无论是在实验意义上还是在正式的分析和科学意义上，许多与人工智能发展有关的想法都是从这个项目开始的。例如，在早期，DENDRAL强有力地证明了生成和测试算法以及基于规则的方法能够有效地建立专家系统。6.5.1DENDRAL专家系统DENDRAL的任务是列举合理的有机分子化学结构（原子键图），输入两种信息：①分析仪器质谱仪和核磁共振光谱仪的数据，②用户提供的答案约束，这些约束可用从用户可用的任何其他的知识源（工具或上下文）推导得到。6.5.1DENDRAL专家系统解释如下：“正如费根鲍姆（计算机科学家）所说，过去还没有将未知化合物的质谱图映射到其分子结构的算法。因此，DENDRAL的任务是将人类专家莱德伯格（化学家，遗传学诺贝尔奖获得者）的经验、技能和专业知识纳入程序中，这样程序就可以以人类专家的水平运行。在开发DENDRAL的过程中，莱德伯格不得不学习很多关于计算的知识，正如费根鲍姆不得不学习化学知识一样。显然，对于费根鲍姆而言，除了与化学有关的许多具体规则外，化学家还根据经验和猜想使用了大量启发式知识。”6.5.1DENDRAL专家系统DENDRAL的输入通常包含了所研究的如下化合物信息。化学式，如C6H12O。未知有机化合物的质谱图。核磁共振光谱信息。然后，无须反馈，DENDRAL在3个阶段执行启发式搜索，这称为规划-生成-测试。6.5.1DENDRAL专家系统（1）规划——在这个阶段，根据所有可能的原子构型的集合中和质谱推导出的约束一致的原子构型集合，还原出答案。应用约束，选择必须出现在最终结构中的分子片段，剔除不能出现的分子片段。（2）生成——使用名为CONGEN的程序来生成可能的结构。“它的基础是组合算法（具有数学证明的完整性以及非冗余生成性）。组合算法可以产生所有在拓扑上合法的候选结构。通过使用‘规划’过程提供的约束进行裁剪，引导生成合理的集合（即满足约束条件的集合），而不是巨大的合法集合。”（3）测试——最后阶段，根据假想中的质谱结构与实验结果之间的匹配程度，对生成的输出结构排列次序。6.5.1DENDRAL专家系统DENDRAL可以很迅速地将数百种可能的结构缩减到可能的几种或一种结构。如果生成了几种可能的结构，那么系统将会列出这些结构并附上概率。DENDRAL证明了计算机可以在一个有限的领域内表现得与人类专家相当。在化学领域，它的表现高于或等于一个化学博士生。这个系统在美国的化学家中得到了广泛的应用。费根鲍姆进一步指出：很矛盾的是，DENDRAL的结构阐释能力既非常广泛，也非常狭窄。一般来说，DENDRAL能够处理所有分子、环和树状。在约束条件下（纯粹的仪器数据）对纯结构的阐释，CONGEN的表现人类无法匹及……在这些知识密集型的专业领域，通常来说，比起人类专家的表现，DENDRAL的表现不但快得多，而且更准确。6.5.2振动故障诊断的专家系统专家系统的重要作用之一是用于故障诊断。在昂贵、高速、关键机械运转的情况下，故障的早期准确检测非常重要。在机械运转的情况下，异常情况的常见指标是旋转机械的振动。检测到故障后，维护工程师能够识别症状信息，解释各种错误信息和指示，并提出正确的诊断。换句话说，识别可能导致故障的组件以及组件失败的原因。机械装置往往会有数百个零件，非常复杂。这将需要专业的领域知识来诊断和维修机械。决策表（DT）是一种紧凑、快速、准确的求解问题的方法（见第7章中的CarBuyer示例）。6.5.2振动故障诊断的专家系统VIBEX专家系统结合了决策表分析（DTA）和DT，决策表分析是通过已知案例来构建的，而DT是为了做出分类，使用归纳式知识获取过程来构建。VIBEXDT与机器学习技术相结合，比起ⅤIBEX（VIBrationExpert）TBL方法在处理振动原因和发生概率较高的案例时，其诊断更有效率。人类专家合作构建DTA，这最终得到了由系统知识库组成的规则集。然后，人们使用贝叶斯算法计算出规则的确定性因子。6.5.2振动故障诊断的专家系统接下来，作为一种方便的方法，DT分析使用C4.5算法来系统地分解和分类数据。这要求给出表示振动原因类别的定义，并要求表示振动现象属性的定义。这些振动现象是样本集所需的，供机器学习使用。C4.5使用示例进行归纳推理来构建决策树。因此，它本身也作为振动诊断工具使用。VIBEX嵌入了原因结果矩阵，包括了约1800个置信因子，这些置信因子适用于监测和诊断旋转机械。6.5.3自动牙科识别鉴于司法取证的原因，能够快速、准确地评估牙科记录是非常重要的。鉴于可用的数据庞大，特别是由于诸如战争、自然灾害和恐怖袭击等大规模灾难，自动识别牙科记录是必要的，也是非常有用的。1997年，美国联邦调查局的刑事司法信息服务部门（CJIS）成立了牙科工作组（DTF），以促进创建自动牙科识别系统（ADIS）。ADIS的目的是为数字化X光片和摄影图像提供自动搜索和匹配功能，这样就可以为牙科取证机构生成一个简短的清单。6.5.3自动牙科识别系统架构背后的理念是利用高级特征来快速检索候选人名单。潜在的匹配搜索组件使用这张清单，然后使用低级的图像特征缩短匹配清单、优化候选清单。因此，架构包括记录预处理组件、潜在匹配搜索组件和图像比较组件。记录预处理组件处理以下5个任务：（1）记录种植牙胶片。（2）加强胶片，补偿可能的低对比度。（3）将胶片进行分类，分成咬翼视图、根尖周视图或全景视图。（4）在胶片中将牙齿进行分隔。（5）在对应的位置进行标记，注明牙齿。6.5.3自动牙科识别Web-ADIS有3种操作模式：配置模式、识别模式和维护模式。配置模式用于微调，客户使用识别模式获取所提交记录的匹配信息。维护模式用于上传新参考记录到数据库服务器，并且能够对预处理服务器进行更新。如今，系统真正达到了85%的验收率。6.5.3自动牙科识别在那些定义明确的领域中存在着大量人类的专业技能和