《人工智能》-第6章-专家系统

第6章专家系统6.1专家系统概述6.5新型专家系统6.2基于规则的专家系统6.6专家系统设计6.3基于框架的专家系统6.7专家系统开发工具6.4基于模型的专家系统6.8小结中南大学智能系统与智能软件研究所6.1专家系统概述专家系统(expertsystem)是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一定义：是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验智能计算机程序系统，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题

2中南大学智能系统与智能软件研究所

6.1专家系统概述6.1.1专家系统特点专家系统具有一些共同的特点和优点专家系统具有下列3个特点：

启发性透明性灵活性专家系统的优点存在八个方面

3中南大学智能系统与智能软件研究所6.1.2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6.1专家系统概述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4中南大学智能系统与智能软件研究所1.解释专家系统

(expertsystemforinterpretation)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6.1专家系统概述5中南大学智能系统与智能软件研究所2.预测专家系统

(expertsystemforprediction)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、军事预测等6.1专家系统概述6中南大学智能系统与智能软件研究所3.诊断专家系统

(expertsystemfordiagnosis)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有医疗诊断等6.1专家系统概述7中南大学智能系统与智能软件研究所4.设计专家系统

(expertsystemfordesign)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6.1专家系统概述8中南大学智能系统与智能软件研究所5.规划专家系统

(expertsystemforplanning)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。6.1专家系统概述9中南大学智能系统与智能软件研究所6.监视专家系统

(expertsystemformonitoring)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，发出警报特点系统应具有快速反应能力系统发出的警报要有很高的准确性系统能够动态地处理其输入信息例子粘虫测报专家系统6.1专家系统概述10中南大学智能系统与智能软件研究所7.控制专家系统

(expertsystemforcontrol)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、生产过程控制和生产质量控制等6.1专家系统概述11中南大学智能系统与智能软件研究所8.调试专家系统

(expertsystemfordebugging)

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6.1专家系统概述12中南大学智能系统与智能软件研究所9.教学专家系统

(expertsystemforinstruction)特点同时具有诊断和调试等功能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等6.1专家系统概述13中南大学智能系统与智能软件研究所10.修理专家系统

(expertsystemforrepair)

任务对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作功能有诊断、调试、计划和执行等功能例子ACI电话和有线电视维护修理系统6.1专家系统概述14中南大学智能系统与智能软件研究所6.1.3专家系统的结构和建造步骤定义：指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式专家系统结构图6.1专家系统概述知识库推理机专家知识输入或提问答案图6.1专家系统结构简图15中南大学智能系统与智能软件研究所图6.2则为理想专家系统的结构图接口用户事实规则计划议程中间解黑板知识库解释器执行器调度器协调器6.1专家系统概述16中南大学智能系统与智能软件研究所一般应用程序与专家系统的区别：一般应用程序

专家系统把问题求解的知识隐含地编入程序。把知识组织为两级：数据级和程序级。把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体。即为知识库。将知识组织成三级；数据、知识库和控制。6.1专家系统概述17中南大学智能系统与智能软件研究所知识化问题图6.3建立专家系统的步骤合法化概念化形式化规则化知识概念结构形式规则再设计改进重新阐述2.专家系统的建造步骤6.1专家系统概述18中南大学智能系统与智能软件研究所3.建立系统的一般步骤如下设计初始知识库问题知识化知识概念化概念形式化形式规则化规则合法化原型机（prototype）的开发与实验知识库的改进与归纳

规则6.1专家系统概述19中南大学智能系统与智能软件研究所4.专家系统的一般结构6.2基于规则的专家系统图6.４专家系统的一般结构图20中南大学智能系统与智能软件研究所知识库是问题求解所需要的领域知识的集合，包括基本事实、规则和其他有关信息。知识的表示形式可以是多种多样的，包括框架、规则、语义网络等等。推理机是实施问题求解的核心执行机构，它实际上是对知识进行解释的程序，根据知识的语义，对按一定策略找到的知识进行解释执行，并把结果记录到动态库的适当空间中。推理机的程序与知识库的具体内容无关，即推理机和知识库是分离的，这是专家系统的重要特征。它的优点是对知识库的修改无须改动推理机，但是纯粹的形式推理会降低问题求解的效率。将推理机和知识库相结合也不失为一种可选方法。知识获取负责建立、修改和扩充知识库，是专家系统中把问题求解的各种专门知识从人类专家的头脑中或其他知识源那里转换到知识库中的一个重要机构。人机界面是系统与用户进行交流时的界面。综合数据库也称为动态库或工作存储器，是反映当前问题求解状态的集合，用于存放系统运行过程中所产生的所有信息，以及所需要的原始数据，包括用户输入的信息、推理的中间结果、推理过程的记录等。解释器用于对求解过程做出说明，并回答用户的提问。两个最基本的问题是“why”和“how”。21中南大学智能系统与智能软件研究所6.2基于规则的专家系统知识库（规则）工作存储器（事实）推理机图6.5基于规则的工作模型22中南大学智能系统与智能软件研究所基于规则的专家系统采用下列

模块来建立产生式系统的模型：知识库以一套规则建立人的长期存储器模型工作存储器建立人的短期存储器模型，存放问题事实和由规则激发而推断出的新事实推理机借助于把存放在工作存储器内的问题事实和存放在知识库内的规则结合起来，建立人的推理模型，以推断出新的信息6.2基于规则的专家系统23中南大学智能系统与智能软件研究所6.3基于框架的专家系统1.面向目标编程与基于框架设计基于框架的专家系统建立在框架的基础之上基于框架的专家系统采用面向目标编程技基于框架的设计和面向目标的编程共享许多特征在设计基于框架系统时，专家系统的设计者们把目标叫做框架24中南大学智能系统与智能软件研究所特征名称值侧面规则目标议程表人类男人女人约翰李勇丽达王红类（class）槽(Slots)子类（subclass)例子(instances)规则(rules)目标议程表

(goalagenda)2.基于框架专家系统的结构6.3基于框架的专家系统图6.6人类的框架分层结构25中南大学智能系统与智能软件研究所3.基于框架专家系统的一般设计方法基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规则的专家系统相似。主要差别在于如何看待和使用知识在设计基于框架的专家系统时，把整个问题和每件事想像为编织起来的事物在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的方法对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程6.3基于框架的专家系统26中南大学智能系统与智能软件研究所6.4基于模型的专家系统1.基于模型专家系统的提出关于人工智能的一个观点综合各种模型的专家系统比基于逻辑心理模型的系统具有更强的功能，从而有可能显著改进专家系统的设计在诸多模型中，人工神经网络模型的应用最为广泛27中南大学智能系统与智能软件研究所2.基于神经网络的专家系统神经网络模型从知识表示、推理机制到控制方式，与目前专家系统中的基于逻辑的心理模型有本质的区别三种神经网络模型与专家系统集成模式神经网络支持专家系统专家系统支持神经网络协同式的神经网络专家系统6.4基于模型的专家系统28中南大学智能系统与智能软件研究所神经网络专家系统的基本结构6.4基于模型的专家系统知识获取学习示例网络结构学习算法解释器专家神经网络用户知识库推理机图6.7神经网络专家系统的基本结构29中南大学智能系统与智能软件研究所神经网络专家系统的几个问题讨论神经网络的知识表示是一种隐式表示神经网络通过实例学习实现知识自动获取神经网络的推理是个正向非线性数值计算过程，同时也是一种并行推理机制同一知识领域的几个独立的专家系统可组合成更大的神经网络专家系统6.4基于模型的专家系统30中南大学智能系统与智能软件研究所6.5新型专家系统6.5.1新型专家系统的特征并行与分布处理多专家系统协同工作高级语言和知识语言描述具有自学习功能引入新的推理机制具有自纠错和自完善能力

先进的智能人机接口31中南大学智能系统与智能软件研究所6.5.2分布式专家系统主要目的：把一个专家系统的功能经分解以后分布到多个处理器上去并行地工作，从而在总体上提高系统的处理效率。可以工作在紧耦合的多处理器系统环境中，也可工作在松耦合的计算机网络环境里，所以其总体结构在很大程度上依赖于其所在的硬件环境。6.5新型专家系统32中南大学智能系统与智能软件研究所设计和实现分布式专家系统，需要解决的问题：功能分布

把分解得到的系统各部分功能或任务合理均衡地分配到各处理节点上去知识分布

根据功能分布的情况把有关知识经合理划分以后分配到各处理节点上。接口设计各部分间接口的设计目的是要达到各部分之间互相通讯和同步容易进行系统结构一方面依赖于应用的环境与性质，另一方面依赖于其所处的硬件环境驱动方式可供选择的几种驱动方式(1)控制驱动(2)数据驱动(3)需求驱动(4)事件驱动6.5新型专家系统33中南大学智能系统与智能软件研究所6.5.3协同式专家系统一般专家系统解题的领域面很窄协同式多专家系统是克服一般专家系统的局限性的一个重要途径。协同式多专家系统亦可称“群专家系统”6.5新型专家系统34中南大学智能系统与智能软件研究所设计与建立一个协同式多专家系统，

需要解决的问题：任务的分解公共知识的导出讨论方式驱动方式6.5新型专家系统35中南大学智能系统与智能软件研究所6.6专家系统设计分为以下两部分介绍以设计一个基于规则的维修咨询系统为例，说明专家系统的设计过程。这一过程包括描述专家知识、应用知识和解释决策等。专家知识的描述知识的使用和决策解释36中南大学智能系统与智能软件研究所6.6.1专家知识的描述结论的表示结论规定了所涉及专门知识的范围观测的表示观测是得到结论所需要的观察或量测结果推理规则的表示产生式规则是决策规则最为常用的表示形式可根据观测和假设之间的逻辑关系分成3类：(1)FF规则)(2)FH规则

(3)HH规则6.6专家系统设计37中南大学智能系统与智能软件研究所6.6.2知识的使用和决策解释结论的分级与选择询问问题的策略固定的顺序根据具体情况作出某种选择决策的解释对系统设计者的解释对系统使用者的解释6.6专家系统设计38中南大学智能系统与智能软件研究所