第6章-专家系统

第六章专家系统作者朱福喜朱三元第六章专家系统6.1专家系统概述6.2知识获取的直接方法6.3专家系统的解释机制6.4专家系统开发工具与环境6.5专家系统开发方法6.6专家系统开发实例

作者朱福喜朱三元6.1专家系统概述

6.1.1什么是专家系统6.1.2专家系统的结构6.1.3专家系统的特点6.1.4专家系统的类型6.1.5成功的专家系统简介作者朱福喜朱三元6.1.1什么是专家系统专家系统ES(ExpertSystem)是一种具有大量专门知识的计算机智能程序系统，它能运用特定领域一位或众多专家提供的专门知识和经验，并采用推理技术模拟该领域中通常由专家才能解决的各种复杂问题，其对问题的求解可在一定程度上达到专家解决同等问题的水平。作者朱福喜朱三元6.1.2专家系统的结构一个专家系统一般由知识库、全局数据库、推理机、解释机制、知识获取和用户界面六个部分组成。知识库事实性知识启发性知识元知识数据库和知识库推理机解释机知识获取用户界面一般用户、领域专家、AI专家作者朱福喜朱三元6.1.3专家系统的特点从总体上讲，专家系统是一种具有智能的软件（程序），是一种启发式方法（弱方法）；专家系统求解是只有专家才能解决的复杂的不确定性问题。从内部结构讲，专家系统包括描述问题状态的全局数据库，存放领域专家解决问题的启发式经验和知识的知识库，以及利用知识库中的知识进行推理的推理策略；专家系统在运行中能不断增加知识、修改原有知识，使专家系统解决问题的能力和水平不断提高；从外部功能看，专家系统模拟的是专家在问题领域的推理，即模拟的是专家求解问题的能力。作者朱福喜朱三元6.1.4专家系统的类型解释型：诊断型：预测型：调试型：维修型：教育型：规划型：设计型：监督型：控制型：分析所采集到的数据，进而阐明这些数据的实际含义，典型的有信号理解和化学结构解释。根据输入信息找出诊断对象中存在的故障，主要有医疗、机械和电子等领域里的各种诊断。例如，血液凝结疾病诊断系统CLOT、计算机硬件故障诊断系统DART、化学处理工厂故障诊断专家系统FALCON等，根据处理对象的过去和现状推测未来的演变结果，典型的有天气预报、人口预测和财政预报等。如各种气象预报专家系统、军事冲突预测系统I&W等给出已知故障的排除方案，主要是有计算机辅助调试。如VAX/VMS计算机系统的辅助调试系统TIMM/TUNER，石油钻探机械故障的诊断与排除系统DRILLINGADVISOR等制定并实施纠正某类故障的规划，典型的有航空和宇航电子设备的维护。如计算机网络的专家系统，电话电缆维护专家系统ACE，诊断排除内燃机故障的DELTA专家系统等主要用于教学和培训任务，诊断和处理学生学习中的错误，如GUIDON和STEMAMER等专家系统根据给定的目标，拟定行动计划，典型的有机器人动作规划和路线规划。如制定最佳行车路线的CARG专家系统，安排宇航员在空间站中活动的KNEECAP，分子遗传学实验设计专家系统MOLGEN等根据给定的要求形成所需要的方案或图样描述，典型的有电路设计和机械设计。如计算机的总体配置XCON系统，自动程序设计系统PSI，超大规模集成电路辅助设计系统KBVLSI等主要用于实时检测，典型的有空中交通控制和电站监控。如航空母舰周围空中交通系统AIRPLAN，核反应堆事故诊断与处理系统REACTOR，高危病人监护VM系统等自动控制系统的全部行为，通常用于实时控制型系统，如商场管理、战场指挥和汽车变速箱控制。如维护钻机最佳钻探流特征的MUD，MVS操作系统的监督控制系统YES/MVS等作者朱福喜朱三元6.1.4专家系统的类型这十种任务类型之间相互关联，彼此间形成一种由低到高的层次作者朱福喜朱三元6.1.5成功的专家系统简介

1．DENDRAL化学分析专家系统（斯坦福大学1968）

2．MACSYMA符号数学专家系统（麻省理工1971）

3．MYCIN诊断和治疗细菌感染性血液病的专家咨询系统（斯坦福大学1973）

4．PROSPECTOR地质勘探专家系统（斯坦福大学1976）作者朱福喜朱三元6.2知识获取的直接方法6.2.1概述6.2.2知识获取的直接方法6.2.3知识获取的新进展作者朱福喜朱三元6.2.1概述

1．专家系统中的知识专家系统中的知识有元知识和目标知识之分。例如，在MYCIN系统中有这样一个例子：

if⑴感染是骨盆脓肿，并且

⑵存在前提涉及肠杆菌的规则，并且

⑶存在前提涉及革兰氏阳性杆菌的规则

then先考虑涉及⑵的规则，后考虑涉及⑶的规则，CF=0.4

这是一条说明规则的使用顺序的元规则。作者朱福喜朱三元

2．知识库及其组织与管理知识的组织决定了知识库的结构。一般情况下，知识被按某种原则进行分类，存放时按类进行分块分层存放，如分成目标知识和元知识；每一块、每一层又可再分块、分层。如目标知识又可分为专家经验知识、领域事实性知识等。因此，专家系统的知识库一般采用层次结构或网状结构。作者朱福喜朱三元3．知识获取知识从计算机外部知识源到计算机内部表示的过程称为知识获取。知识获取由领域专家、知识工程师和计算机之间的一系列交互过程组成。知识获取划分为概念化、形式化和知识求精三个阶段，要获取一个好的知识库，需要反复进行这三个阶段的工作。作者朱福喜朱三元知识畸变一般来说，专家采用的语言与日常用语之间存在较大差异，而且当脱离具体问题环境时，专家对问题求解的描述与实际采用的方法存在差别。这种现象称为知识畸变。知识获取方法可以分为三类：手工、半自动和自动。作者朱福喜朱三元6.2.2知识获取的直接方法1.交谈法2.观察法3.个案分析4.多维技术作者朱福喜朱三元6.2.3知识获取的新进展知识获取一直是专家系统开发的瓶颈，它的最终解决取决于知识的自动获取。一方面，从专家那里获取领域知识；另一方面，人们注重从已有的普通的数据库中获取知识，用来指导工作，这就是人们常说的知识发现，且这种过程是自动的。知识发现所能发现的知识有如下几种:广义型知识，反映同类事物共同性质的知识;特征型知识，反映事物各方面的特征知识;差异型知识，反映不同事物之间属性差别的知识;关联型知识，反映事物之间依赖或关联的知识;预测型知识，根据历史的和当前的数据推测未来数据;偏离型知识，揭示事物偏离常规的异常现象。作者朱福喜朱三元6.3专家系统的解释机制6.3.1预制文本解释法6.3.2路径跟踪解释法6.3.3自动程序员解释法6.3.4策略解释法作者朱福喜朱三元6.3.1预制文本解释法它类似于一般应用系统的出错处理知识工程师在设计专家系统时，预先估计各种可能需要解释的问题，并把对每一个问题的解释以文本的形式插入程序代码中。当用户输入待解释的语句时，系统将其转换为相应的代码，然后再根据这个代码将相应的解释信息显示给用户。最大优点是设计简单，并且可以很方便地解释有关系统功能方面的问题以及监控系统运行状态，并在系统出错时，显示相关的出错信息。作者朱福喜朱三元6.3.2路径跟踪解释法通过跟踪并重新显示系统问题求解过程的推理路径和知识使用情况来解释相关的用户提问。在路径跟踪解释法中，解释的深度是一个重要问题。解释层次的选择与知识的表示方法有关。作者朱福喜朱三元6.3.3自动程序员解释法自动程序员指一个生成专家系统的工具。在专家系统的构造过程中，自动程序员从最一般的抽象目标经过逐步求精产生专家系统的执行程序，同时保留推理轨迹和相关的信息。实例：

作者朱福喜朱三元6.3.4策略解释法向用户解释的是与问题求解策略有关的规划和方法，从策略的抽象表示及其使用过程中产生关于问题求解的解释。由D.W.Hasling等人提出，并由W.J.Clancey和R.Letsinger等人在NEOMYCIN系统中实现。策略解释法本质上是基于元规则的一种路径跟踪法。作者朱福喜朱三元6.4专家系统开发工具与环境通用编程语言(C/C++等)AI程序设计语言生成工具骨架系统

通用知识工程语言专家系统开发其它专家系统开发环境工具与环境知识获取工具

设计辅助工具

辅助工具建造辅助工具

人机接口

其它辅助工具作者朱福喜朱三元6.5专家系统开发方法6.5.1专家系统开发的步骤6.5.2专家系统开发方法作者朱福喜朱三元6.5.1专家系统开发的步骤成功地开发一个专家系统必须要求领域专家、知识工程师和用户的密切配合，用户提供需求，领域专家提供知识和求解方法，知识工程师从专家获得知识，并将其转换到计算机上。作者朱福喜朱三元6.5.1专家系统开发的步骤(1)问题调研。知识工程师通过与领域专家和用户的沟通，对用户的需求请专家分析，包括问题难度与范围、问题类型、专家知识的可获取性、预期效益等，并确定领域的知识结构，以及开发所需的各种资源。(2)概念设计。把问题求解所需的各种专门知识概念化，确定概念之间的关系，并对任务进行划分，确定求解问题的控制流和约束条件，一般采用一种或几种知识工程语言进行描述和表示。(3)结构功能设计。确定系统的数据结构、推理规则、控制策略，建立问题求解模型，建立系统所需的基本功能，确定系统的体系结构。(4)系统实现。它依赖于硬件环境，主要是编码和调试，也就是把建立的形式化模型映射到具体的计算机环境中，最终生成可执行的计算机程序系统。(5)测试维护。运行大量的实例，检测原型系统的正确性以及系统性能等各种目标是否达到。通过测试，对反馈信息进行分析，并进行必要的修改，如重新认识问题，建立新的概念或修正概念之间的关系，完善知识的表示与组织，扩展新知识，改进推理方法等。作者朱福喜朱三元6.5.2专家系统开发方法专家系统是一个复杂的应用系统，需要建立一系列的原型，如演示原型、研究原型、领域原型、产品原型，最终建立商品化系统。演示原型；研究原型；领域原型；产品原型；商品化原型。总之，专家系统的开发过程是瀑布模型、增量式开发方法和快速原型方法三者的有机结合。作者朱福喜朱三元6.6专家系统开发实例6.6.1动物识别专家系统6.6.2MYCIN专家系统作者朱福喜朱三元6.6.1动物识别专家系统作者朱福喜朱三元6.6.1动物识别专家系统1.知识库本系统采用规则表示知识。每一条规则都是IF-THEN形式。IF代表规则的前提部分，它可以是多个条件的逻辑组合；THEN代表规则的结论部分，也可以是若干结论的组合。如本例的第二、五、九条规则：规则2：如果（该动物能产乳）则（该动物是哺乳动物）规则5：如果（该动物是哺乳动物）且（有蹄）则（该动物是有蹄类）规则9：如果（该动物是有蹄类）且（有长脖子）且（有长腿）且（有暗斑点）则（该动物是长颈鹿）作者朱福喜朱三元6.6.1动物识别专家系统2.推理机本例采用正向推理技术。其基本策略是：用户通过人机界面输入一批事实，推理机用这些事实，依次与知识库中的规则的前提匹配，若某规则的前提全被事实满足，则规则可以得到运用。规则的结论部分作为新的事实存储。然后，用更新过的事实再与其它规则的前提匹配，直到不再有可匹配的规则为止。例如，某用户要求系统识别某种动物时，该用户向系统所提供的事实有：该动物有暗斑点、长脖子、长腿、产乳、有蹄。作者朱福喜朱三元推理过程示例暗斑点长腿长脖子有蹄有奶哺乳动物有蹄类长颈鹿作者朱福喜朱三元6.6.2