第6章-專家系統(tǒng)

第六章專家系統(tǒng)作者朱福喜朱三元第六章專家系統(tǒng)6.1專家系統(tǒng)概述6.2知識獲取的直接方法6.3專家系統(tǒng)的解釋機制6.4專家系統(tǒng)開發(fā)工具與環(huán)境6.5專家系統(tǒng)開發(fā)方法6.6專家系統(tǒng)開發(fā)實例

作者朱福喜朱三元6.1專家系統(tǒng)概述

6.1.1什么是專家系統(tǒng)6.1.2專家系統(tǒng)的結構6.1.3專家系統(tǒng)的特點6.1.4專家系統(tǒng)的類型6.1.5成功的專家系統(tǒng)簡介作者朱福喜朱三元6.1.1什么是專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)ES(ExpertSystem)是一種具有大量專門知識的計算機智能程序系統(tǒng)，它能運用特定領域一位或眾多專家提供的專門知識和經驗，并采用推理技術模擬該領域中通常由專家才能解決的各種復雜問題，其對問題的求解可在一定程度上達到專家解決同等問題的水平。作者朱福喜朱三元6.1.2專家系統(tǒng)的結構一個專家系統(tǒng)一般由知識庫、全局數據庫、推理機、解釋機制、知識獲取和用戶界面六個部分組成。知識庫事實性知識啟發(fā)性知識元知識數據庫和知識庫推理機解釋機知識獲取用戶界面一般用戶、領域專家、AI專家作者朱福喜朱三元6.1.3專家系統(tǒng)的特點從總體上講，專家系統(tǒng)是一種具有智能的軟件（程序），是一種啟發(fā)式方法（弱方法）；專家系統(tǒng)求解是只有專家才能解決的復雜的不確定性問題。從內部結構講，專家系統(tǒng)包括描述問題狀態(tài)的全局數據庫，存放領域專家解決問題的啟發(fā)式經驗和知識的知識庫，以及利用知識庫中的知識進行推理的推理策略；專家系統(tǒng)在運行中能不斷增加知識、修改原有知識，使專家系統(tǒng)解決問題的能力和水平不斷提高；從外部功能看，專家系統(tǒng)模擬的是專家在問題領域的推理，即模擬的是專家求解問題的能力。作者朱福喜朱三元6.1.4專家系統(tǒng)的類型解釋型：診斷型：預測型：調試型：維修型：教育型：規(guī)劃型：設計型：監(jiān)督型：控制型：分析所采集到的數據，進而闡明這些數據的實際含義，典型的有信號理解和化學結構解釋。根據輸入信息找出診斷對象中存在的故障，主要有醫(yī)療、機械和電子等領域里的各種診斷。例如，血液凝結疾病診斷系統(tǒng)CLOT、計算機硬件故障診斷系統(tǒng)DART、化學處理工廠故障診斷專家系統(tǒng)FALCON等，根據處理對象的過去和現狀推測未來的演變結果，典型的有天氣預報、人口預測和財政預報等。如各種氣象預報專家系統(tǒng)、軍事沖突預測系統(tǒng)I&W等給出已知故障的排除方案，主要是有計算機輔助調試。如VAX/VMS計算機系統(tǒng)的輔助調試系統(tǒng)TIMM/TUNER，石油鉆探機械故障的診斷與排除系統(tǒng)DRILLINGADVISOR等制定并實施糾正某類故障的規(guī)劃，典型的有航空和宇航電子設備的維護。如計算機網絡的專家系統(tǒng)，電話電纜維護專家系統(tǒng)ACE，診斷排除內燃機故障的DELTA專家系統(tǒng)等主要用于教學和培訓任務，診斷和處理學生學習中的錯誤，如GUIDON和STEMAMER等專家系統(tǒng)根據給定的目標，擬定行動計劃，典型的有機器人動作規(guī)劃和路線規(guī)劃。如制定最佳行車路線的CARG專家系統(tǒng)，安排宇航員在空間站中活動的KNEECAP，分子遺傳學實驗設計專家系統(tǒng)MOLGEN等根據給定的要求形成所需要的方案或圖樣描述，典型的有電路設計和機械設計。如計算機的總體配置XCON系統(tǒng)，自動程序設計系統(tǒng)PSI，超大規(guī)模集成電路輔助設計系統(tǒng)KBVLSI等主要用于實時檢測，典型的有空中交通控制和電站監(jiān)控。如航空母艦周圍空中交通系統(tǒng)AIRPLAN，核反應堆事故診斷與處理系統(tǒng)REACTOR，高危病人監(jiān)護VM系統(tǒng)等自動控制系統(tǒng)的全部行為，通常用于實時控制型系統(tǒng)，如商場管理、戰(zhàn)場指揮和汽車變速箱控制。如維護鉆機最佳鉆探流特征的MUD，MVS操作系統(tǒng)的監(jiān)督控制系統(tǒng)YES/MVS等作者朱福喜朱三元6.1.4專家系統(tǒng)的類型這十種任務類型之間相互關聯，彼此間形成一種由低到高的層次作者朱福喜朱三元6.1.5成功的專家系統(tǒng)簡介

1．DENDRAL化學分析專家系統(tǒng)（斯坦福大學1968）

2．MACSYMA符號數學專家系統(tǒng)（麻省理工1971）

3．MYCIN診斷和治療細菌感染性血液病的專家咨詢系統(tǒng)（斯坦福大學1973）

4．PROSPECTOR地質勘探專家系統(tǒng)（斯坦福大學1976）作者朱福喜朱三元6.2知識獲取的直接方法6.2.1概述6.2.2知識獲取的直接方法6.2.3知識獲取的新進展作者朱福喜朱三元6.2.1概述

1．專家系統(tǒng)中的知識專家系統(tǒng)中的知識有元知識和目標知識之分。例如，在MYCIN系統(tǒng)中有這樣一個例子：

if⑴感染是骨盆膿腫，并且

⑵存在前提涉及腸桿菌的規(guī)則，并且

⑶存在前提涉及革蘭氏陽性桿菌的規(guī)則

then先考慮涉及⑵的規(guī)則，后考慮涉及⑶的規(guī)則，CF=0.4

這是一條說明規(guī)則的使用順序的元規(guī)則。作者朱福喜朱三元

2．知識庫及其組織與管理知識的組織決定了知識庫的結構。一般情況下，知識被按某種原則進行分類，存放時按類進行分塊分層存放，如分成目標知識和元知識；每一塊、每一層又可再分塊、分層。如目標知識又可分為專家經驗知識、領域事實性知識等。因此，專家系統(tǒng)的知識庫一般采用層次結構或網狀結構。作者朱福喜朱三元3．知識獲取知識從計算機外部知識源到計算機內部表示的過程稱為知識獲取。知識獲取由領域專家、知識工程師和計算機之間的一系列交互過程組成。知識獲取劃分為概念化、形式化和知識求精三個階段，要獲取一個好的知識庫，需要反復進行這三個階段的工作。作者朱福喜朱三元知識畸變一般來說，專家采用的語言與日常用語之間存在較大差異，而且當脫離具體問題環(huán)境時，專家對問題求解的描述與實際采用的方法存在差別。這種現象稱為知識畸變。知識獲取方法可以分為三類：手工、半自動和自動。作者朱福喜朱三元6.2.2知識獲取的直接方法1.交談法2.觀察法3.個案分析4.多維技術作者朱福喜朱三元6.2.3知識獲取的新進展知識獲取一直是專家系統(tǒng)開發(fā)的瓶頸，它的最終解決取決于知識的自動獲取。一方面，從專家那里獲取領域知識；另一方面，人們注重從已有的普通的數據庫中獲取知識，用來指導工作，這就是人們常說的知識發(fā)現，且這種過程是自動的。知識發(fā)現所能發(fā)現的知識有如下幾種:廣義型知識，反映同類事物共同性質的知識;特征型知識，反映事物各方面的特征知識;差異型知識，反映不同事物之間屬性差別的知識;關聯型知識，反映事物之間依賴或關聯的知識;預測型知識，根據歷史的和當前的數據推測未來數據;偏離型知識，揭示事物偏離常規(guī)的異?，F象。作者朱福喜朱三元6.3專家系統(tǒng)的解釋機制6.3.1預制文本解釋法6.3.2路徑跟蹤解釋法6.3.3自動程序員解釋法6.3.4策略解釋法作者朱福喜朱三元6.3.1預制文本解釋法它類似于一般應用系統(tǒng)的出錯處理知識工程師在設計專家系統(tǒng)時，預先估計各種可能需要解釋的問題，并把對每一個問題的解釋以文本的形式插入程序代碼中。當用戶輸入待解釋的語句時，系統(tǒng)將其轉換為相應的代碼，然后再根據這個代碼將相應的解釋信息顯示給用戶。最大優(yōu)點是設計簡單，并且可以很方便地解釋有關系統(tǒng)功能方面的問題以及監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，并在系統(tǒng)出錯時，顯示相關的出錯信息。作者朱福喜朱三元6.3.2路徑跟蹤解釋法通過跟蹤并重新顯示系統(tǒng)問題求解過程的推理路徑和知識使用情況來解釋相關的用戶提問。在路徑跟蹤解釋法中，解釋的深度是一個重要問題。解釋層次的選擇與知識的表示方法有關。作者朱福喜朱三元6.3.3自動程序員解釋法自動程序員指一個生成專家系統(tǒng)的工具。在專家系統(tǒng)的構造過程中，自動程序員從最一般的抽象目標經過逐步求精產生專家系統(tǒng)的執(zhí)行程序，同時保留推理軌跡和相關的信息。實例：

作者朱福喜朱三元6.3.4策略解釋法向用戶解釋的是與問題求解策略有關的規(guī)劃和方法，從策略的抽象表示及其使用過程中產生關于問題求解的解釋。由D.W.Hasling等人提出，并由W.J.Clancey和R.Letsinger等人在NEOMYCIN系統(tǒng)中實現。策略解釋法本質上是基于元規(guī)則的一種路徑跟蹤法。作者朱福喜朱三元6.4專家系統(tǒng)開發(fā)工具與環(huán)境通用編程語言(C/C++等)AI程序設計語言生成工具骨架系統(tǒng)

通用知識工程語言專家系統(tǒng)開發(fā)其它專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境工具與環(huán)境知識獲取工具

設計輔助工具

輔助工具建造輔助工具

人機接口

其它輔助工具作者朱福喜朱三元6.5專家系統(tǒng)開發(fā)方法6.5.1專家系統(tǒng)開發(fā)的步驟6.5.2專家系統(tǒng)開發(fā)方法作者朱福喜朱三元6.5.1專家系統(tǒng)開發(fā)的步驟成功地開發(fā)一個專家系統(tǒng)必須要求領域專家、知識工程師和用戶的密切配合，用戶提供需求，領域專家提供知識和求解方法，知識工程師從專家獲得知識，并將其轉換到計算機上。作者朱福喜朱三元6.5.1專家系統(tǒng)開發(fā)的步驟(1)問題調研。知識工程師通過與領域專家和用戶的溝通，對用戶的需求請專家分析，包括問題難度與范圍、問題類型、專家知識的可獲取性、預期效益等，并確定領域的知識結構，以及開發(fā)所需的各種資源。(2)概念設計。把問題求解所需的各種專門知識概念化，確定概念之間的關系，并對任務進行劃分，確定求解問題的控制流和約束條件，一般采用一種或幾種知識工程語言進行描述和表示。(3)結構功能設計。確定系統(tǒng)的數據結構、推理規(guī)則、控制策略，建立問題求解模型，建立系統(tǒng)所需的基本功能，確定系統(tǒng)的體系結構。(4)系統(tǒng)實現。它依賴于硬件環(huán)境，主要是編碼和調試，也就是把建立的形式化模型映射到具體的計算機環(huán)境中，最終生成可執(zhí)行的計算機程序系統(tǒng)。(5)測試維護。運行大量的實例，檢測原型系統(tǒng)的正確性以及系統(tǒng)性能等各種目標是否達到。通過測試，對反饋信息進行分析，并進行必要的修改，如重新認識問題，建立新的概念或修正概念之間的關系，完善知識的表示與組織，擴展新知識，改進推理方法等。作者朱福喜朱三元6.5.2專家系統(tǒng)開發(fā)方法專家系統(tǒng)是一個復雜的應用系統(tǒng)，需要建立一系列的原型，如演示原型、研究原型、領域原型、產品原型，最終建立商品化系統(tǒng)。演示原型；研究原型；領域原型；產品原型；商品化原型?？傊?，專家系統(tǒng)的開發(fā)過程是瀑布模型、增量式開發(fā)方法和快速原型方法三者的有機結合。作者朱福喜朱三元6.6專家系統(tǒng)開發(fā)實例6.6.1動物識別專家系統(tǒng)6.6.2MYCIN專家系統(tǒng)作者朱福喜朱三元6.6.1動物識別專家系統(tǒng)作者朱福喜朱三元6.6.1動物識別專家系統(tǒng)1.知識庫本系統(tǒng)采用規(guī)則表示知識。每一條規(guī)則都是IF-THEN形式。IF代表規(guī)則的前提部分，它可以是多個條件的邏輯組合；THEN代表規(guī)則的結論部分，也可以是若干結論的組合。如本例的第二、五、九條規(guī)則：規(guī)則2：如果（該動物能產乳）則（該動物是哺乳動物）規(guī)則5：如果（該動物是哺乳動物）且（有蹄）則（該動物是有蹄類）規(guī)則9：如果（該動物是有蹄類）且（有長脖子）且（有長腿）且（有暗斑點）則（該動物是長頸鹿）作者朱福喜朱三元6.6.1動物識別專家系統(tǒng)2.推理機本例采用正向推理技術。其基本策略是：用戶通過人機界面輸入一批事實，推理機用這些事實，依次與知識庫中的規(guī)則的前提匹配，若某規(guī)則的前提全被事實滿足，則規(guī)則可以得到運用。規(guī)則的結論部分作為新的事實存儲。然后，用更新過的事實再與其它規(guī)則的前提匹配，直到不再有可匹配的規(guī)則為止。例如，某用戶要求系統(tǒng)識別某種動物時，該用戶向系統(tǒng)所提供的事實有：該動物有暗斑點、長脖子、長腿、產乳、有蹄。作者朱福喜朱三元推理過程示例暗斑點長腿長脖子有蹄有奶哺乳動物有蹄類長頸鹿作者朱福喜朱三元6.6.2