第6章 專家系統(tǒng).ppt

第6章專家系統(tǒng) 教學(xué)內(nèi)容 本章主要介紹專家系統(tǒng)的定義 結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)和類型 分析了基于規(guī)則的專家系統(tǒng) 基于框架的專家系統(tǒng)和基于模型的專家系統(tǒng) 歸納了協(xié)同式和分布式等新型專家系統(tǒng) 并結(jié)合實(shí)例介紹了專家系統(tǒng)的設(shè)計方法和開發(fā)工具 第6章專家系統(tǒng) 教學(xué)重點(diǎn) 專家系統(tǒng)的定義 專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 專家系統(tǒng)的一般特點(diǎn) 各類專家系統(tǒng)的任務(wù)和特點(diǎn) 教學(xué)難點(diǎn) 專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與建造步驟 教學(xué)要求 重點(diǎn)掌握專家系統(tǒng)的定義與基本結(jié)構(gòu) 掌握專家系統(tǒng)的特點(diǎn) 了解專家系統(tǒng)的類型 6 1專家系統(tǒng)概述 專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用研究的主要領(lǐng)域 1965年 第一個專家系統(tǒng)DENDRAL在美國斯坦福大學(xué)誕生 到70年代中期 專家系統(tǒng)的開發(fā)獲得成功 到80年代中期 各種專家系統(tǒng)已遍布各行各業(yè) 在全世界得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 6 1專家系統(tǒng)概述 專家系統(tǒng)是一個含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗的智能計算機(jī)程序系統(tǒng) 能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題 簡而言之 專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計算機(jī)程序系統(tǒng) 6 1 1專家系統(tǒng)特點(diǎn) 1 專家系統(tǒng)特點(diǎn)啟發(fā)性 專家系統(tǒng)能運(yùn)用專家的知識與經(jīng)驗進(jìn)行推理 判斷和決策 透明性 專家系統(tǒng)能夠解釋本身的推理過程和回答用戶提出的問題 以便讓用戶能夠了解推理過程 提高對專家系統(tǒng)的信賴感 靈活性 專家系統(tǒng)能不斷地增長知識 修改原有知識 不斷更新 2 專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)具體地說 包括下列八個方面 1 專家系統(tǒng)能夠高效率 準(zhǔn)確 周到 迅速和不知疲倦地進(jìn)行工作 2 專家系統(tǒng)解決實(shí)際問題時不受周圍環(huán)境的影響 也不可能遺漏忘記 3 可以使專家的專長不受時間和空間的限制 以便推廣珍貴和稀缺的專家知識與經(jīng)驗 4 專家系統(tǒng)能促進(jìn)各領(lǐng)域的發(fā)展 5 專家系統(tǒng)能匯集多領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗以及他們協(xié)作解決重大問題的能力 6 軍事專家系統(tǒng)的水平是一個國家國防現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一 7 專家系統(tǒng)的研制和應(yīng)用 具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 8 研究專家系統(tǒng)能夠促進(jìn)整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 按照專家系統(tǒng)求解問題的性質(zhì)和任務(wù)分根據(jù)專家系統(tǒng)的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)分 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 按照專家系統(tǒng)求解問題的性質(zhì)和任務(wù)分 解釋專家系統(tǒng) 預(yù)測專家系統(tǒng) 診斷專家系統(tǒng)設(shè)計專家系統(tǒng) 規(guī)劃專家系統(tǒng) 監(jiān)視專家系統(tǒng)控制專家系統(tǒng) 調(diào)試專家系統(tǒng) 教學(xué)專家系統(tǒng)修理專家系統(tǒng)根據(jù)專家系統(tǒng)的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)分 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng) 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 1 解釋專家系統(tǒng)任務(wù)通過對已知信息和數(shù)據(jù)的分析與解釋 確定它們的涵義 特點(diǎn)數(shù)據(jù)量很大 常不準(zhǔn)確 有錯誤 不完全 能從不完全的信息中得出解釋 并能對數(shù)據(jù)做出某些假設(shè) 推理過程可能很復(fù)雜和很長例子語音理解 圖像分析 系統(tǒng)監(jiān)視 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析和信號解釋等 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 2 預(yù)測專家系統(tǒng)任務(wù)通過對過去和現(xiàn)在已知狀況的分析 推斷未來可能發(fā)生的情況 特點(diǎn)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)隨時間變化 且可能是不準(zhǔn)確和不完全 系統(tǒng)需要有適應(yīng)時間變化的動態(tài)模型 能夠從不準(zhǔn)確和不完全的信息中得出預(yù)報 并達(dá)到快速響應(yīng)的要求 例子有氣象預(yù)報 軍事預(yù)測 人口預(yù)測 交通預(yù)測 經(jīng)濟(jì)預(yù)測和谷物產(chǎn)量預(yù)測等 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 3 診斷專家系統(tǒng)任務(wù)根據(jù)觀察到的情況 數(shù)據(jù) 來推斷出某個對象機(jī)能失常 即故障 的原因特點(diǎn)能夠了解被診斷對象或客體各組成部分的特性以及它們之間的聯(lián)系 能夠區(qū)分一種現(xiàn)象及其所掩蓋的另一種現(xiàn)象 能夠向用戶提出測量的數(shù)據(jù) 并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷例子醫(yī)療診斷 電子機(jī)械和軟件故障診斷以及材料失效診斷等 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 4 設(shè)計專家系統(tǒng)任務(wù)根據(jù)設(shè)計要求 求出滿足設(shè)計問題約束的目標(biāo)配置 特點(diǎn)從多種約束中得到符合要求的設(shè)計 系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間 能試驗性地構(gòu)造出可能設(shè)計 易于修改 能夠使用已有設(shè)計來解釋當(dāng)前新的設(shè)計 例子VAX計算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計專家系統(tǒng)等 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 5 規(guī)劃專家系統(tǒng)任務(wù)尋找出某個能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動作序列或步驟 特點(diǎn)所要規(guī)劃的目標(biāo)可能是動態(tài)的或靜態(tài)的 需要對未來動作做出預(yù)測 所涉及的問題可能很復(fù)雜 例子軍事指揮調(diào)度系統(tǒng) ROPES機(jī)器人規(guī)劃專家系統(tǒng) 汽車和火車運(yùn)行調(diào)度專家系統(tǒng)等 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 6 監(jiān)視專家系統(tǒng)任務(wù)對系統(tǒng) 對象或過程的行為進(jìn)行不斷觀察 并把觀察到的行為與其應(yīng)當(dāng)具有的行為進(jìn)行比較 以發(fā)現(xiàn)異常情況 發(fā)出警報 特點(diǎn)系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力 發(fā)出的警報要有很高的準(zhǔn)確性 能夠動態(tài)地處理其輸入信息 例子粘蟲測報專家系統(tǒng) 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 7 控制專家系統(tǒng)任務(wù)自適應(yīng)地管理一個受控對象或客體的全面行為 使之滿足預(yù)期要求 特點(diǎn)控制專家系統(tǒng)具有解釋 預(yù)報 診斷 規(guī)劃和執(zhí)行等多種功能 例子空中交通管制 商業(yè)管理 自主機(jī)器人控制 作戰(zhàn)管理 生產(chǎn)過程控制和質(zhì)量控制等 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 8 調(diào)試專家系統(tǒng)任務(wù)對失靈的對象給出處理意見和方法 特點(diǎn)同時具有規(guī)劃 設(shè)計 預(yù)報和診斷等專家系統(tǒng)的功能 例子在這方面的實(shí)例還比較少見 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 9 教學(xué)專家系統(tǒng)任務(wù)教學(xué)專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn) 弱點(diǎn)和基礎(chǔ)知識 以最適當(dāng)?shù)慕贪负徒虒W(xué)方法對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和輔導(dǎo) 特點(diǎn)同時具有診斷和調(diào)試等功能 具有良好的人機(jī)界面 例子MACSYMA符號積分與定理證明系統(tǒng) 計算機(jī)程序設(shè)計語言和物理智能計算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)以及聾啞人語言訓(xùn)練專家系統(tǒng)等 6 1 2專家系統(tǒng)的類型 10 修理專家系統(tǒng)任務(wù)對發(fā)生故障的對象 系統(tǒng)或設(shè)備 進(jìn)行處理 使其恢復(fù)正常工作 修理專家系統(tǒng)具有診斷 調(diào)試 計劃和執(zhí)行等功能 例子美國貝爾實(shí)驗室的ACI電話和有線電視維護(hù)修理系統(tǒng) 此外 還有決策專家系統(tǒng)和咨詢專家系統(tǒng)等 6 1 3專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和建造步驟 1 專家系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是指專家系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)造方法和組織形式 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇恰當(dāng)與否 是與專家系統(tǒng)的適用性和有效性密切相關(guān)的 選擇什么結(jié)構(gòu)最為恰當(dāng) 要根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和所執(zhí)行任務(wù)的特點(diǎn)而定 圖6 1表示專家系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)圖 執(zhí)行器 調(diào)度器 黑板 知識庫 用戶 接口 解釋器 事實(shí)規(guī)則 計劃 議程 中間解 協(xié)調(diào)器 2 理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 3 一般應(yīng)用程序與專家系統(tǒng)的區(qū)別 前者把問題求解的知識隱含地編入程序 而后者則把其應(yīng)用領(lǐng)域的問題求解知識單獨(dú)組成一個實(shí)體 即為知識庫 知識庫的處理是通過與知識庫分開的控制策略進(jìn)行的 更明確地說 一般應(yīng)用程序把知識組織為兩級 數(shù)據(jù)級和程序級 大多數(shù)專家系統(tǒng)則將知識組織成三級 數(shù)據(jù) 知識庫和控制 4 專家系統(tǒng)的建造步驟 1 設(shè)計初始知識庫 包括 a 問題知識化 即辨別所研究問題的實(shí)質(zhì) 如要解決的任務(wù)是什么 它是如何定義的 可否把它分解為子問題或子任務(wù) 它包含哪些典型數(shù)據(jù)等 b 知識概念化 即概括知識表示所需要的關(guān)鍵概念及其關(guān)系 如數(shù)據(jù)類型 已知條件 狀態(tài) 和目標(biāo) 狀態(tài) 提出的假設(shè)以及控制策略等 4 專家系統(tǒng)的建造步驟 c 概念形式化 即確定用來組織知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式 應(yīng)用人工智能中各種知識表示方法把與概念化過程有關(guān)的關(guān)鍵概念 子問題及信息流特性等變換為比較正式的表達(dá) 它包括假設(shè)空間 過程模型和數(shù)據(jù)特性等 d 形式規(guī)則化 即編制規(guī)則 把形式化了的知識變換為由編程語言表示的可供計算機(jī)執(zhí)行的語句和程序 e 規(guī)則合法化 即確認(rèn)規(guī)則化了知識的合理性 檢驗規(guī)則的有效性 4 專家系統(tǒng)的建造步驟 2 原型機(jī)的開發(fā)與試驗在選定知識表達(dá)方法之后 即可著手建立整個系統(tǒng)所需要的實(shí)驗子集 它包括整個模型的典型知識 而且只涉及與試驗有關(guān)的足夠簡單的任務(wù)和推理過程 3 知識庫的改進(jìn)與歸納反復(fù)對知識庫及推理規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)試驗 歸納出更完善的結(jié)果 經(jīng)過相當(dāng)長時間 例如數(shù)月至二 三年 的努力 使系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)達(dá)到人類專家的水平 4 專家系統(tǒng)的建造步驟 6 2基于規(guī)則的專家系統(tǒng) 1 基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型基于規(guī)則的專家系統(tǒng)是個計算機(jī)程序 該程序使用一套包含在知識庫內(nèi)的規(guī)則對工作存儲器內(nèi)的具體問題信息 事實(shí) 進(jìn)行處理 通過推理機(jī)推斷出新的信息 其工作模型如圖6 4所示 圖6 4基于規(guī)則的工作模型 2 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 6 3基于框架的專家系統(tǒng) 1 面向目標(biāo)編程與基于框架設(shè)計基于框架的專家系統(tǒng)建立在框架的基礎(chǔ)之上 采用面向目標(biāo)編程技術(shù) 框架的設(shè)計和面向目標(biāo)的編程共享許多特征 在設(shè)計基于框架系統(tǒng)時 專家系統(tǒng)的設(shè)計者們把目標(biāo)叫做框架 6 3基于框架的專家系統(tǒng) 2 基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1 定義基于框架的專家系統(tǒng)是個計算機(jī)程序 該程序使用一組包含在知識庫內(nèi)的框架對工作存儲器內(nèi)的具體問題信息進(jìn)行處理 通過推理機(jī)推斷出新的信息 2 結(jié)構(gòu)框架系統(tǒng)是通過類 子類 例子 目標(biāo)議程表 規(guī)則組織表示 6 3基于框架的專家系統(tǒng) 3 例 下面是用來說明設(shè)計和表示框架中某些知識值的人類框架結(jié)構(gòu) class subclass instances 6 3基于框架的專家系統(tǒng) 3 基于框架專家系統(tǒng)的一般設(shè)計方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設(shè)計步驟與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)相似 主要差別在于如何看待和使用知識 在設(shè)計基于框架的專家系統(tǒng)時 把整個問題和每件事想像為編織起來的事物 在辨識事物之后 尋找把這些事物組織起來的方法 對于任何類型的專家系統(tǒng) 其設(shè)計是高度交互的過程 6 4基于模型的專家系統(tǒng) 1 基于模型專家系統(tǒng)的提出對人工智能的研究內(nèi)容有著各種不同的看法 有一種觀點(diǎn)認(rèn)為 人工智能是對各種定性模型的獲得 表達(dá)及使用的計算方法進(jìn)行研究的學(xué)問 基于該觀點(diǎn)人們提出了基于模型的專家系統(tǒng) 采用各種定性模型來設(shè)計專家系統(tǒng) 其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的 在諸多模型中 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用最為廣泛 6 4基于模型的專家系統(tǒng) 2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從知識表示 推理機(jī)制到控制方式 與目前專家系統(tǒng)中的基于邏輯的心理模型有本質(zhì)的區(qū)別 6 4基于模型的專家系統(tǒng) 3 三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與專家系統(tǒng)集成模式 1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持專家系統(tǒng)以傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)為主 以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)技術(shù)為輔 2 專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)技術(shù)為核心 建立相應(yīng)領(lǐng)域的專家系統(tǒng) 采用專家系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)完成解釋等方面的工作 3 協(xié)同式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)針對大的復(fù)雜問題 將其分解為若干子問題 針對每個子問題的特點(diǎn) 選擇用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)加以實(shí)現(xiàn) 在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)之間建立一種耦合關(guān)系 6 4基于模型的專家系統(tǒng) 4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)自動獲取模塊輸入 組織并存儲專家提供的學(xué)習(xí)實(shí)例 選定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法 為知識庫實(shí)現(xiàn)知識獲取 當(dāng)新的學(xué)習(xí)實(shí)例輸入后 知識獲取模塊通過對新實(shí)例的學(xué)習(xí) 自動獲得新的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值分布 從而更新了知識庫 如圖6 7所示 圖6 7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 6 4基于模型的專家系統(tǒng) 5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個問題討論 1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識表示是一種隱式表示 2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)例學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)知識自動獲取 3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理是個正向非線性數(shù)值計算過程 同時也是一種并行推理機(jī)制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各輸出節(jié)點(diǎn)的輸出是數(shù)值 因而需要一個解釋器對輸出模式進(jìn)行解釋 4 同一知識領(lǐng)域的幾個獨(dú)立的專家系統(tǒng)可組合成更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng) 6 5新型專家系統(tǒng) 6 5 1新型專家系統(tǒng)的特征1 并行與分布處理基于各種并行算法 采用各種并行推理和執(zhí)行技術(shù) 適合在多處理器的硬件環(huán)境中工作 即具有分布處理的功能 2 多專家系統(tǒng)協(xié)同工作在這種系統(tǒng)中 有多個專家系統(tǒng)協(xié)同合作 3 高級語言和知識語言描述專家系統(tǒng)生成系統(tǒng)就能自動或半自動地生成所要的專家系統(tǒng) 4 具有自學(xué)習(xí)功能新型專家系統(tǒng)應(yīng)提供高級的知識獲取與學(xué)習(xí)功能 5 引入新的推理機(jī)制在新型專家系統(tǒng)中 除演繹推理之外 還應(yīng)有歸納推理 各種非標(biāo)準(zhǔn)邏輯推理 以及各種基于不完全知識和模糊知識的推理等等 6 具有自糾錯和自完善能力為了排錯必須首先有識別錯誤的能力 為了完善必須首先有鑒別優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn) 7 先進(jìn)的智能人機(jī)接口理解自然語言 實(shí)現(xiàn)語聲 文字 圖形和圖像的直接輸入輸出是如今人們對智能計算機(jī)提出的要求 6 5 2分布式專家系統(tǒng) 1 主要目的 把一個專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解以后分布到多個處理器上去并行地工作 從而在總體上提高系統(tǒng)的處理效率 2 環(huán)境要求 可以工作在緊耦合的多處理器系統(tǒng)環(huán)境中 也可工作在松耦合的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里 所以其總體結(jié)構(gòu)在很大程度上依賴于其所在的硬件環(huán)境 6 5 2分布式專家系統(tǒng) 3 設(shè)計和實(shí)現(xiàn)分布式專家系統(tǒng) 需要解決的問題 功能分布把分解得到的系統(tǒng)各部分功能或任務(wù)合理均衡地分配到各處理節(jié)點(diǎn)上去知識分布根據(jù)功能分布的情況把有關(guān)知識經(jīng)合理劃分以后分配到各處理節(jié)點(diǎn)上 接口設(shè)計各部分間接口的設(shè)計目的是要達(dá)到各部分之間互相通訊和同步容易進(jìn)行 在能保證完成總的任務(wù)的前提下 要盡可能使各部分之間互相獨(dú)立 部分之間聯(lián)系越少越好 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一方面依賴于應(yīng)用的環(huán)境與性質(zhì) 另一方面依賴于其所處的硬件環(huán)境 6 5 2分布式專家系統(tǒng) 驅(qū)動方式可供選擇的幾種驅(qū)動方式 1 控制驅(qū)動當(dāng)需要某模塊工作時 就直接將控制轉(zhuǎn)到該模塊 或?qū)⑺鳛橐粋€過程直接調(diào)用它 使它立即工作 2 數(shù)據(jù)驅(qū)動一般一個系統(tǒng)的模塊功能都是根據(jù)一定的輸入 啟動模塊進(jìn)行處理以后 給出相應(yīng)的輸出 6 5 2分布式專家系統(tǒng) 3 需求驅(qū)動這種驅(qū)動方式亦稱 目的驅(qū)動 是一種自頂向下的驅(qū)動方式 與此同時又按數(shù)據(jù)驅(qū)動的原則讓數(shù)據(jù) 或其他條件 具備的模塊進(jìn)行工作 輸出相應(yīng)的結(jié)果并送到各自該去的模塊 6 5 2分布式專家系統(tǒng) 4 事件驅(qū)動即當(dāng)且僅當(dāng)模塊的相應(yīng)事件集合中所有事件都已發(fā)生時 才能驅(qū)動該模塊開始工作 否則只要其中有一個事件尚未發(fā)生 模塊就要等待 即使模塊的輸入數(shù)據(jù)已經(jīng)全部齊備也不行 6 5 3協(xié)同式專家系統(tǒng) 1 概述一般專家系統(tǒng)解題的領(lǐng)域面很窄單個專家系統(tǒng)的應(yīng)用局限性很大 很難獲得滿意的應(yīng)用 協(xié)同式多專家系統(tǒng)是克服一般專家系統(tǒng)的局限性的一個重要途徑 協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱 群專家系統(tǒng) 表示能綜合若干個相近領(lǐng)域的或一個領(lǐng)域的多個方面的子專家系統(tǒng)互相協(xié)作共同解決一個更廣領(lǐng)域問題的專家系統(tǒng) 系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)子系統(tǒng)之間的協(xié)同合作 而不著重處理的分布和知識的分布 6 5 3協(xié)同式專家系統(tǒng) 2 設(shè)計與建立一個協(xié)同式多專家系統(tǒng) 需要解決的問題 1 任務(wù)的分解根據(jù)領(lǐng)域知識 將確定的總?cè)蝿?wù)分解成幾個分任務(wù) 分別由幾個分專家系統(tǒng)來完成 2 公共知識的導(dǎo)出把解決各分任務(wù)所需知識的公共部分分離出來形成一個公共知識庫 供各子專家系統(tǒng)共享 對解決各分任務(wù)專用的知識則分別存放在各子專家系統(tǒng)的專用知識庫中 3 討論方式目前很多作者主張采用 黑板 作為各分系統(tǒng)進(jìn)行討論的 園地 為了保證在多用戶環(huán)境下黑板中數(shù)據(jù)或信息的一致性 需要采用管理數(shù)據(jù)庫的一些手段來管理它 使用它 因此黑板有時也稱作 中間數(shù)據(jù)庫 4 裁決問題這個問題的解決辦法往往十分依賴于問題本身的性質(zhì) 5 驅(qū)動方式這個問題是與分布數(shù)據(jù)庫中要考慮的相應(yīng)問題一致的 盡管協(xié)同式多專家系統(tǒng) 各子系統(tǒng)可能工作在一個處理機(jī)上 但仍然有以什么方式將各子系統(tǒng)根據(jù)總的要求激活執(zhí)行的問題 即所謂驅(qū)動方式問題 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 本節(jié)以設(shè)計一個維修咨詢系統(tǒng)為例 說明專家系統(tǒng)的設(shè)計過程 這一過程包括描述專家知識 應(yīng)用知識和解釋決策等 由于專家系統(tǒng)具有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 而每個系統(tǒng)一般只具有某個領(lǐng)域?qū)＜业闹R 如果在建造每個具體的專家系統(tǒng)時 一切都從頭開始 就必然會降低工作效率 人們已經(jīng)研制出一些比較通用的工具 作為設(shè)計和開發(fā)專家系統(tǒng)的輔助手段和環(huán)境 即專家系統(tǒng)開發(fā)工具 在設(shè)計該專家系統(tǒng)時 使用了專家系統(tǒng)設(shè)計工具EXPERT 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 EXPERT是一種骨架型開發(fā)工具 骨架型開發(fā)工具是由一些已經(jīng)開發(fā)成功 并且在實(shí)際使用中被證明為行之有效的專家系統(tǒng)演變而來的 即抽去這些專家系統(tǒng)中具體的知識 保留它的體系結(jié)構(gòu)和功能 再把領(lǐng)域?qū)Ｓ玫慕缑娓臑橥ㄓ媒缑?就得到了相應(yīng)的專家系統(tǒng)骨架 顯然 在專家系統(tǒng)骨架中 知識表示模式 推理機(jī)制等都是確定的 當(dāng)用這種骨架型開發(fā)工具建造專家系統(tǒng)時 只需把相應(yīng)領(lǐng)域的知識用骨架規(guī)定的模式表示出來裝入到知識庫中就可以了 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 EXPERT是由美國Rutgers大學(xué)的威斯和庫里科斯基等人在已開發(fā)成功的專家系統(tǒng)及其工具的基礎(chǔ)上于1981年設(shè)計完成的一個骨架型開發(fā)工具 EXPERT的知識由三部分組成 假設(shè)或結(jié)論觀測或事實(shí)推理或決策規(guī)則 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 假設(shè) 是結(jié)論性的概念 即可由系統(tǒng)推出來的結(jié)論 通常每個假設(shè)都有一個不確定性的度量值 例如 在醫(yī)療診斷系統(tǒng)中 一個診斷就是一個假設(shè) 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 觀測或事實(shí)是有待觀察和確認(rèn)的證據(jù) 例如 一個人的 體重 血壓高 等都是觀測 其中體重取正實(shí)數(shù)值 血壓高 取 真 或 假 值 這說明 觀測 的值可為邏輯型或數(shù)值型 另外 還有一個值是 不知道 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 推理或決策規(guī)則有三種類型 從事實(shí)到事實(shí)的規(guī)則 FF規(guī)則 從事實(shí)到假設(shè)的規(guī)則 FH規(guī)則 從假設(shè)到假設(shè)的規(guī)則 HH規(guī)則 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 FF規(guī)則用于從已知觀測推知另一些觀測的真值 被FF規(guī)則推導(dǎo)出來的事實(shí)只取邏輯值和 不知道 值 例如 F A T F B F 表示如果已知事實(shí)A為真 則事實(shí)B一定為假 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 FH規(guī)則用于指出事實(shí)與假設(shè)之間的邏輯關(guān)系并用一個可信度指出肯定或否定一個假設(shè)有多在把握 例如 F A 0 50 2 F B T F C T F D F H E 0 8 表示若第一個事實(shí) A取值在0到50之間 成立 而且后面三個事實(shí) B為真 C為真 D為假 中有兩個成立 則假設(shè)E成立的可能性為0 8 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 HH規(guī)則用于指出假設(shè)與假設(shè)之間的推理關(guān)系EXPERT規(guī)定出現(xiàn)在規(guī)則左部的假設(shè)的確定性程度需用一個數(shù)值區(qū)間來指出 例如 H A 0 2 1 H B 0 1 1 H C 1 表示如果對假設(shè)A有0 2到1的把握 并且對假設(shè)B有0 1到1的把握 則可得出結(jié)論C 其把握程度為100 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 另外在EXPERT中 為了提高推理效率 還把若干條HH規(guī)則組成一個模塊 在模塊前另加條件 稱為該規(guī)則組的上下文 只有在上下文為真時 該規(guī)則組內(nèi)的規(guī)則才能被啟用 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 EXPERT推理過程可大致描述為 1 利用已有的事實(shí)對所有FF規(guī)則進(jìn)行推理 以取得盡可能多的事實(shí) 2 從已有事實(shí)出發(fā) 檢查所有FH規(guī)則 對其左部為真者 就把它的右部假設(shè)存入集合PH中 3 置集合DH為空 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 4 從已有事實(shí)出發(fā) 檢查所有HH規(guī)則的上下文 且對上下文條件成立的規(guī)則做以下處理 若某規(guī)則的左部的假設(shè)出現(xiàn)在PH或DH中 則令H的當(dāng)前可信度為PH和DH中同一H的各可信度中絕對值最大者 按H的這個可信度對此規(guī)則進(jìn)行推理 并把結(jié)論存入DH中 若DH中已有這個假設(shè) 則僅保留其可信度絕對值最大的那一個 6 6專家系統(tǒng)設(shè)計 5 按假設(shè)所形成的推理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理 以最終得到假設(shè)的可信度值 6 對假設(shè)的選擇除可按上述辦法選擇可信度最大的外 EXPERT還設(shè)置了評分函數(shù) 例如 可對一個得到較多事實(shí)支持的假設(shè)給予較高的評分等 6 6 1專家知識的描述 設(shè)計一個維修咨詢系統(tǒng) 按照EXPERT表達(dá)知識的方式 在系統(tǒng)設(shè)計過程中主要利用以下3個表達(dá)成分 假設(shè)或結(jié)論觀測或事實(shí)推理或決策規(guī)則 6 6 1專家知識的描述 1 假設(shè)的表示假設(shè)規(guī)定了所涉及專門知識的范圍 在EXPERT中 每個假設(shè)用簡寫的助記符號和用自然語言 中文 英語或其它設(shè)計者希望使用的語言 寫的正式的說明語句來表示 助記符號用于編寫決策規(guī)則時引用假設(shè) 例 汽車修理的問題用表表示 FLOOD汽缸里的汽油過多阻礙了點(diǎn)火 簡稱為汽缸被俺CHOKE汽門堵塞EMPTY無燃料FILT燃料過濾器阻塞CAB電池電纜松脫或銹蝕BATD蓄電池耗盡STRTR啟動器工作不正常 設(shè)計過程中的一個主要目標(biāo)是總結(jié)出專家的推理過程 以代表專家的最后結(jié)論或假設(shè)進(jìn)行推理以中間假設(shè)或結(jié)論進(jìn)行推理通常中間假設(shè)或結(jié)論是許多有關(guān)量測的總結(jié) 或者就是某個重要證據(jù)的定性概括 利用這些定義的中間假設(shè)和結(jié)論可以使推理過程更為清楚和有效 以一組比較小的中間假設(shè)進(jìn)行推理比用一組大得多的包括所有可能觀測的組合來推理要容易得多 例如 可能有許多種燃料系統(tǒng)方面的問題 建立一個中間假設(shè)FUEL來概括燃料系統(tǒng)出現(xiàn)的各種問題 中間假設(shè) FUEL燃料系統(tǒng)方面的問題ELEC電氣系統(tǒng)方面的問題 一些附加的假設(shè)可表示建議的種類 這些建議將告訴使用者應(yīng)采取什么操作 例如 處理方法WAIT等待10分鐘或在啟動時把風(fēng)門踏板踩到最低位置OPEN取下清潔器部件 手拿鉛筆去打開汽門GAS在油罐里注入更多汽油RFILT更換汽油過濾器CLEAN清潔和緊固電池電纜CBATT對電池充電或更換電池NSTAR更換啟動器 6 6 1專家知識的描述 2 事實(shí)的表示事實(shí)是得到結(jié)論所需要的觀察或量測結(jié)果 它們通?？梢杂眠壿嬛?真 T 假 F 或 不知道 或用數(shù)字來表示 把問題組織成菜單那樣的編組是一種很有效的方法 對組織問題的主題來說 這些簡單的問題結(jié)構(gòu)經(jīng)常是很合適的 因為對使用者很方便 以下是一些表示如何組織問題的例子 選擇題Odorofgasincarbaretor 汽化器中汽油的氣味 NGAS無氣味MGAS正常LGAS氣味很濃 對照表Typeofproblem 問題種類 FCWS汽車不能啟動FOTH汽車有其它毛病 數(shù)字類型問題TEMP室外溫度 華氏 是非題WAS油表讀數(shù)為空 6 6 1專家知識的描述 3 推理規(guī)則的表示產(chǎn)生式規(guī)則是決策規(guī)則最為常用的表示形式 可根據(jù)觀測和假設(shè)之間的邏輯關(guān)系分成3類 1 從觀測到觀測的規(guī)則 FF規(guī)則 2 從觀測到假設(shè)的規(guī)則 FH規(guī)則 3 從假設(shè)到假設(shè)的規(guī)則 HH規(guī)則 1 從觀測到觀測的規(guī)則 FF規(guī)則 FF規(guī)則規(guī)定那些可從已確定的觀測直接推導(dǎo)出來的觀測的真值 因為通過把觀測和假設(shè)相組合可以描述功能更強(qiáng)的產(chǎn)生式規(guī)則形式 在下述例子中將說明這個概念 如果前燈不工作的觀測是假那么和前燈不工作有關(guān)的觀測 也即HEAD 車頭燈 FTURN 轉(zhuǎn)彎燈 和PARK 停車燈 不工作也都是假 這在EXPERT的表示法中可表示為以下FF規(guī)則 FF規(guī)則F FRONT F F HEAD PARK F 對后燈 也可以類似地構(gòu)成另一條規(guī)則 F REAR F F TAIL BU F 在這個例子中 只有當(dāng)我們巳經(jīng)知道前燈不工作 才會進(jìn)一步詢問關(guān)于前燈的專門問題 這個例子說明如何設(shè)計問題調(diào)查表 調(diào)查表以一種自然的方式引導(dǎo)詢問的順序 按這種自然方式 僅限于詢問那些未被以前的回答排除掉的數(shù)據(jù) 2 從觀測到假設(shè)的規(guī)則 FH規(guī)則 在許多用于分類的專家系統(tǒng)中 產(chǎn)生式規(guī)則可對產(chǎn)生式結(jié)論的可信程度進(jìn)行量度 下列規(guī)則表示如何簡單地組合一對觀測來推理出一個假設(shè) FH規(guī)則F SCRNK T F DIM T H BATD 0 7 如果啟動器旋轉(zhuǎn)緩慢以及車頭燈暗淡 那么電池的電用完了的可信度是0 7 以下規(guī)則表示把一個觀測與一組替換物相組合的編寫表示 我們用 n A B C D 表示 為了滿足整個條件 幾個或更多的替換觀側(cè)A B C D必須被滿足 或取真值為真 我們就要分別寫許多規(guī)則 F TEMP 0 50 1 F SCRNK T F OCRNK T H CHOKE 0 7 如果氣溫在0到50度之間以及一個或更多的下述條件為真 啟動器旋轉(zhuǎn)緩慢 或根本不轉(zhuǎn) 那么 氣門被堵塞的可信度是0 7 3 從假設(shè)到假設(shè)的規(guī)則 HH規(guī)則 HH 從假設(shè)到假設(shè) 規(guī)則用來規(guī)定假設(shè)之間的推理 以下為HH規(guī)則的簡單例子 HH規(guī)則F FCWS T H FLOOD 0 2 1 H WAIT 0 9 如果汽車不能發(fā)動并已經(jīng)得出汽缸被淹的結(jié)論 其可信度為0 2到1之間 那么等待10分鐘或在啟動時把風(fēng)門踏板踩到最低處 其可信度為0 9 6 6 2知識的使用 建立專家系統(tǒng)還不是一門精確的科學(xué) 專家經(jīng)常提供大量的信息 必須力圖抽取專家推理過程中的關(guān)鍵內(nèi)容 并且盡可能準(zhǔn)確而簡潔地表示這些知識 6 6 2知識的使用 1 結(jié)論的分級與選擇按評價的先后次序 把規(guī)則分成等級和選擇規(guī)則是推理過程中控制策略的基本部分 可以根據(jù)專家的意見來排列與評價規(guī)則的次序 與此同時 還必須研究規(guī)則的評價次序的影響 規(guī)則評價次序的編排應(yīng)該使不論采取什么次序 都得到相同的結(jié)論 6 6 2知識的使用 例如 在修理系統(tǒng)中有以下規(guī)則 F FCWC T H FLOOD 0 2 1 H WAIT 0 9 這個規(guī)則表示 如果汽車不能發(fā)動已經(jīng)以0 2到1之間的可信度 得出汽缸被淹的結(jié)論那么等待10分鐘或在啟動時把風(fēng)門踏板踩到最低位置 汽缸被淹 這個假設(shè) 必須在引用這條規(guī)則以前作出 如何來處理這類問題呢 6 6 2知識的使用 在EXPERT系統(tǒng)中 由系統(tǒng)設(shè)計者編排規(guī)則的次序 這使得HH排列的次序就是規(guī)則被評價的實(shí)際次序 但這種方法的缺點(diǎn)是專家必須編排規(guī)則的次序 6 6 2知識的使用 對一個系統(tǒng) 如果以相互不相容的方式來表示觀測和假設(shè)之間所有可能的組合 即一條規(guī)則只能被一種情況所滿足 那么 即使對一個小系統(tǒng)來說 所需要的規(guī)則數(shù)量也會相當(dāng)巨大的 希望有一種方法來減少為表示專家知識所需要的規(guī)則的數(shù)量 可在產(chǎn)生式規(guī)則中應(yīng)用可信度量測不僅可以反映實(shí)際存在于專家知識中的不確定性 而且可以減少產(chǎn)生式規(guī)則的數(shù)量 6 6 2知識的使用 但是不用互不相容的方式表示規(guī)則帶來的問題是在推理循環(huán)的任何階段可能有幾個假設(shè)被滿足 這些規(guī)則規(guī)則蘊(yùn)涵著相同的假設(shè) 但是具有不同的可信度量測 其中有一些規(guī)則似乎是相互沖突的 6 6 2知識的使用 例如 其中幾個規(guī)則可同時被滿足 都可被用于相同的假設(shè) F NCRNK T F DIM F H STRTR 0 7 以上規(guī)則表示 如果啟動不轉(zhuǎn)動車頭燈并不暗淡那么啟動器工作不正常 可信度為0 7 6 6 2知識的使用 F GRIND T H STRTR 0 9 以上規(guī)則表示 如果啟動發(fā)生磨擦的噪聲那么啟動器工作不正常 可信度為0 9 如果上述二個規(guī)則同時被滿足 在EXPERT系統(tǒng)中采用記分函數(shù)來組合可信度 在 假設(shè) 所涉