專家系統(tǒng).doc

科 技 學(xué) 院智能控制結(jié)課論文名 稱： 智能控制專家系統(tǒng) 院 系： 動(dòng)力工程系 班 級(jí)： 自動(dòng)化12 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 牛成林 成 績(jī)： 日期： 2016 年 1月 10 日一、前言將人工智能理論和專家系統(tǒng)技術(shù)很好的融合，可充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)模 擬專家的推理和思維過程, 得出正確的判斷和解決方案，他們的應(yīng)用廣泛，前景美好。2 1世紀(jì)是智能科學(xué)、生命科學(xué)及其信息集成并融合的時(shí)代，作為現(xiàn)代信息技術(shù)的精髓，人工智能技術(shù)自然成為了新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的前沿和焦點(diǎn)，專家系統(tǒng)是從人工智能領(lǐng)域的研究發(fā)展而來的。專家控制系統(tǒng)是新興的一門學(xué)科，它是以知識(shí)為基礎(chǔ)，把人工智能領(lǐng)域的專家系統(tǒng)技術(shù)與控制理論方法相結(jié)合，進(jìn)行靈活的控制并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的控制，專家控制涉及低層控制和高層控制兩個(gè)方面專家系統(tǒng)?？梢哉f是應(yīng)用于某一專門領(lǐng)域，擁有該領(lǐng)域相當(dāng)數(shù)量的專家級(jí)知識(shí)，能模擬專家的思維，能達(dá)到專家級(jí)水平，能像專家一樣解決困難和復(fù)雜的實(shí)際問題的計(jì)算機(jī)(軟件)系統(tǒng)。自從1968年世界上第一個(gè)專家系統(tǒng)DENDRAL問世以來，專家系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展非常迅速，在短短的30年內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用到了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、氣象、法律、教育、機(jī)械以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等等部門。特別是20世紀(jì)80年代中期以后，隨著知識(shí)工程技術(shù)的日漸豐富和成熟，各種各樣的實(shí)用專家系統(tǒng)如雨后春筍般地在世界各地不斷涌現(xiàn)。二、專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)際問題的多樣性，所以，專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也就多種多樣。但抽象地看，一般有基本結(jié)構(gòu)和一般結(jié)構(gòu)。專家系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)圖專家系統(tǒng)的核心是知識(shí)庫和推理機(jī)，其工作過程是根據(jù)知識(shí)庫中的知識(shí)和用戶提供的事實(shí)進(jìn)行推理，不斷地由已知的事實(shí)推出未知的結(jié)論即中間結(jié)果，并將中間結(jié)果放到數(shù)據(jù)庫中，作為已知的新事實(shí)進(jìn)行推理，從而把求解的問題由未知狀態(tài)轉(zhuǎn)換為已知狀態(tài)。在專家系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，會(huì)不斷地通過人機(jī)接口與用戶進(jìn)行交互，向用戶提問，并向用戶做出解釋。2.1知識(shí)庫知識(shí)庫主要用來存放領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑挠嘘P(guān)問題求解的專門知識(shí)。知識(shí)庫中的知識(shí)來源于知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)，同時(shí)它又為推理機(jī)提供求解問題所需的知識(shí)。知識(shí)表示方法的選擇要建立知識(shí)庫，首先選擇合適的知識(shí)表達(dá)方法。對(duì)同一知識(shí)，一般可用多種方法進(jìn)行表示，但其效果卻不同。可按第二章介紹的原則選擇知識(shí)表達(dá)方法，即從能充分表示領(lǐng)域知識(shí)、能充分有效地進(jìn)行推理、便于對(duì)知識(shí)的組織維護(hù)和管理、便于理解與實(shí)現(xiàn)等四個(gè)方面進(jìn)行考慮。2.1.1知識(shí)庫的管理知識(shí)庫管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行組織、檢索、維護(hù)等。專家系統(tǒng)中任何部分要與知識(shí)庫發(fā)生聯(lián)系，都必須通過該管理系統(tǒng)來完成。在進(jìn)行知識(shí)維護(hù)的同時(shí)，還要保證知識(shí)的安全性。必須建立嚴(yán)格的安全保護(hù)措施，比如設(shè)置口令驗(yàn)證，對(duì)不同操作者設(shè)置不同的操作權(quán)限等，來防止操作失誤等主管原因破壞知識(shí)庫，造成嚴(yán)重后果。2.2推理機(jī)推理機(jī)的功能是模擬領(lǐng)域?qū)＜业乃季S過程，控制并執(zhí)行對(duì)問題的求解。它能根據(jù)當(dāng)前已知的事實(shí)，利用知識(shí)庫中的知識(shí)，按一定的推理方法和控制策略進(jìn)行推理，直到得出相應(yīng)的結(jié)論為止。推理機(jī)包括推理方法和控制策略兩部分。推理方法有確定性推理和不確定性推理。控制策略主要指推理方法的控制及推理規(guī)則的選擇策略。推理包括正向推理、反向推理和正反向混合推理。推理策略一般還與搜索策略相關(guān)。推理機(jī)的性能與構(gòu)造一般與知識(shí)的表示方法有關(guān)，但與知識(shí)的內(nèi)容無關(guān)，這有利于保證推理機(jī)與知識(shí)庫的獨(dú)立性，提高專家系統(tǒng)的靈活性。2.3知識(shí)獲取機(jī)構(gòu) 知識(shí)獲取是建造和設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是目前建造專家系統(tǒng)的瓶頸?；救蝿?wù)是為專家系統(tǒng)獲取知識(shí)，建立起健全、完善、有效的知識(shí)庫，以滿足求解領(lǐng)域問題的需要。知識(shí)獲取通常由知識(shí)工程師和知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)共同完成。知識(shí)工程師負(fù)責(zé)從領(lǐng)域?qū)＜夷抢锍槿≈R(shí)，并用合適的方法把知識(shí)表達(dá)出來。知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)把知識(shí)轉(zhuǎn)換為為計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)的內(nèi)部形式，然后把它們存入知識(shí)庫。存儲(chǔ)過程中要對(duì)知識(shí)進(jìn)行一致性、完整性的檢測(cè)。2.4人機(jī)接口是專家系統(tǒng)與領(lǐng)域?qū)＜?、知識(shí)工程師、用戶之間交互的界面，由一組程序及相應(yīng)的硬件組成，用于完成輸入輸出工作。在輸入輸出過程中，人機(jī)接口需要進(jìn)行表示形式的轉(zhuǎn)換。輸入時(shí)，將外部信息換成系統(tǒng)的內(nèi)部表示形式，然后交給相應(yīng)機(jī)構(gòu)去處理。輸出時(shí)，將內(nèi)部信息轉(zhuǎn)化為人們易于理解的外部形式顯示給用戶。知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)通過人機(jī)接口與專家、工程師、用戶進(jìn)行交互；推理機(jī)通過人機(jī)接口與用戶交互。推理過程中，專家系統(tǒng)不斷向用戶提問，已得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，推理結(jié)束后會(huì)將結(jié)果通過人機(jī)接口顯示給用戶。2.6解釋機(jī)構(gòu)主要是回答用戶提出的問題，解釋系統(tǒng)的推理過程，由一組程序組成。專家系統(tǒng)應(yīng)該能以用戶便于接受的方式解釋自己的推理過程。三、專家系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)3.1專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）專家系統(tǒng)能夠高效率、準(zhǔn)確、及時(shí)和不知疲倦地工作。（2）專家系統(tǒng)解決實(shí)際問題時(shí)不受周圍環(huán)境的影響，也不可能遺漏忘記。（3）專家系統(tǒng)使人類專家的經(jīng)驗(yàn)不受時(shí)空的限制，以便推廣和交流。（4）專家系統(tǒng)的研制和應(yīng)用具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。（5）研制專家系統(tǒng)能促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。3.1專家系統(tǒng)的缺陷（1）知識(shí)獲取的“瓶頸”問題 不僅要求知識(shí)工程師應(yīng)具備一定的領(lǐng)域知識(shí)，而且還得具備較高的計(jì)算機(jī)水平知識(shí)。（2）知識(shí)的“窄臺(tái)階”問題 一個(gè)專家系統(tǒng)一般只能應(yīng)用在某個(gè)相當(dāng)窄的知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)，去求解預(yù)定的專門問題、一旦超出預(yù)定范圍，專家系統(tǒng)就無法求解。（3）不具備并行分布功能 集中式專家系統(tǒng)只能在單個(gè)處理機(jī)上運(yùn)行，不具備把一個(gè)專家系統(tǒng)的功能分解后，分布到多個(gè)處理機(jī)上去并行工作的能力。（4）不具備多專家協(xié)同能力 單專家式專家系統(tǒng)只能模擬單一領(lǐng)域的單個(gè)專家的功能，不能實(shí)現(xiàn)相近領(lǐng)域或同一領(lǐng)域不同方面的多個(gè)分專家系統(tǒng)的協(xié)作問題求解。（5）系統(tǒng)適應(yīng)能力較差 一般不具備自我學(xué)習(xí)能力和在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的自我完善、發(fā)展和創(chuàng)新能力。（6）處理不確定問題的能力較差 專家系統(tǒng)盡管可采用可信度、主觀Bayes方法等處理不精確問題，但在歸納推理、模糊推理、非完備推理等方面的能力較差。（7）與主流信息技術(shù)脫節(jié) 專家系統(tǒng)基本上是一種信息孤島，與主流信息技術(shù)，如Web技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等脫節(jié)。四、專家系統(tǒng)的類型關(guān)于專家系統(tǒng)的分類，目前還無定論。我們僅從幾個(gè)不同的側(cè)面對(duì)此進(jìn)行討論。1.按用途分類按用途分類，專家系統(tǒng)可分為：診斷型、解釋型、預(yù)測(cè)型、規(guī)劃型、控制型、監(jiān)督型、修理型、教學(xué)型、調(diào)試型等幾種類型。 2.按輸出結(jié)果分類按輸出結(jié)果分類，專家系統(tǒng)可分為分析型和設(shè)計(jì)型。3.按知識(shí)表示分類目前所用的知識(shí)表示形式有：產(chǎn)生式規(guī)則、一階謂詞邏輯、框架、語義網(wǎng)等。4.按知識(shí)分類知識(shí)可分為確定性知識(shí)和不確定性知識(shí)，所以，按知識(shí)分類，專家系統(tǒng)又可分為精確推理型和不精確推理型（如，模糊專家系統(tǒng)）。5.按技術(shù)分類按采用的技術(shù)分類，專家系統(tǒng)可分為符號(hào)推理專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)。6.按規(guī)模分類按規(guī)模分類，可分為大型協(xié)同式專家系統(tǒng)和微專家系統(tǒng)。7.按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分類可分為集中式和分布式，單機(jī)型和網(wǎng)絡(luò)型(即網(wǎng)上專家系統(tǒng))。五、專家系統(tǒng)與知識(shí)系統(tǒng)我們知道，專家系統(tǒng)能有效地解決問題的主要原因在于它擁有知識(shí)，因?yàn)椤爸R(shí)就是力量”。但專家系統(tǒng)擁有的知識(shí)是專家知識(shí)，而且主要是經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)。近年來，由專家系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展而發(fā)展起來的一種稱為知識(shí)系統(tǒng)（KnowledgeBasedSystem)的智能系統(tǒng)，其中的知識(shí)已不限于人類專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，而可以是領(lǐng)域知識(shí)或通過機(jī)器學(xué)習(xí)所獲得的知識(shí)等。所以，對(duì)于這種廣義的知識(shí)系統(tǒng)來說，專家系統(tǒng)就是一種特殊的知識(shí)系統(tǒng)。特別是一般知識(shí)庫系統(tǒng)的建立，更加促進(jìn)了這些技術(shù)的發(fā)展。所以，現(xiàn)在關(guān)于知識(shí)處理的技術(shù)和方法已形成一個(gè)稱為“知識(shí)工程”（KnowledgeEngineering）的學(xué)科領(lǐng)域。這就是說，專家系統(tǒng)促使了知識(shí)工程的誕生和發(fā)展，知識(shí)工程又是為專家系統(tǒng)服務(wù)的。正是由于這二者的密切關(guān)系，所以，現(xiàn)在的“專家系統(tǒng)”與“知識(shí)工程”幾乎已成為同義語。六、專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序?qū)＜蚁到y(tǒng)本身是一個(gè)程序，但它又與傳統(tǒng)程序不同。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 從編程思想來看，傳統(tǒng)程序是依據(jù)某個(gè)確定的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來求解某個(gè)確定的問題，而專家系統(tǒng)求解的許多問題沒有可用的數(shù)學(xué)方法，而是依據(jù)知識(shí)和推理來求解，即 傳統(tǒng)程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法 專家系統(tǒng)=知識(shí)+推理2. 傳統(tǒng)程序把關(guān)于問題求解的知識(shí)隱含與程序中，而專家系統(tǒng)則將知識(shí)與運(yùn)用知識(shí)的過程即推理機(jī)分離。靈活性3. 從處理對(duì)象來看，傳統(tǒng)程序主要是面向數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，而專家系統(tǒng)面向符號(hào)處理。傳統(tǒng)程序處理的數(shù)據(jù)是精確的，而專家系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)和知識(shí)大多是不精確的、模糊的。4. 傳統(tǒng)程序一般不具有解釋功能，而專家系統(tǒng)一般具有解釋機(jī)構(gòu)解釋自己的行為。因?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)依賴于推理，它必須能夠解釋這個(gè)過程。5. 傳統(tǒng)程序依據(jù)算法解決問題，每次都能產(chǎn)生正確的答案，而專家系統(tǒng)則象人類專家那樣，一般能產(chǎn)生正確的答案。但專家系統(tǒng)有能力從錯(cuò)誤中吸取教訓(xùn)，改進(jìn)自己的能力。 6.從體系結(jié)構(gòu)來看，傳統(tǒng)程序與專家系統(tǒng)具有不同的結(jié)構(gòu)，后面將專門介紹。七、專家系統(tǒng)與人工智能 ;專家系統(tǒng)是智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從學(xué)科范疇講，專家系統(tǒng)屬人工智能的一個(gè)分支，而且是應(yīng)用性最強(qiáng)、應(yīng)用范圍最廣的一個(gè)重要分支。所以，現(xiàn)在“專家系統(tǒng)”這一名詞既是系統(tǒng)名稱又是一個(gè)學(xué)科名稱。專家系統(tǒng)已是當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)熱門研究方向八、總結(jié)現(xiàn)階段國內(nèi)外專家系統(tǒng)應(yīng)用停留在相對(duì)狹義的以規(guī)則推理為基礎(chǔ)的階段，應(yīng)用也更多針對(duì)的是實(shí)驗(yàn)室研究以及一些輕量級(jí)應(yīng)用，遠(yuǎn)不能滿足大型商業(yè)應(yīng)用的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)智能推理以及大數(shù)據(jù)處理的需求。專家系統(tǒng)的發(fā)展下一步的將以模型推理為主，以規(guī)則推理為輔，并切合商業(yè)應(yīng)用需求，滿足對(duì)實(shí)時(shí)以及大數(shù)據(jù)量處理的需求。同時(shí)專家系統(tǒng)將朝更為專業(yè)化方向發(fā)展，針對(duì)具體方向性的需求提供針對(duì)性模型與產(chǎn)品，如基于因果有向圖CDG