第8章專家系統(tǒng)

1、第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.1 專家系統(tǒng)的概念專家系統(tǒng)的概念 8.2 專家系統(tǒng)的結構專家系統(tǒng)的結構8.3 專家系統(tǒng)的應用與發(fā)展概況專家系統(tǒng)的應用與發(fā)展概況8.4 專家系統(tǒng)實例專家系統(tǒng)實例8.5 專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)8.6 專家系統(tǒng)開發(fā)工具與環(huán)境專家系統(tǒng)開發(fā)工具與環(huán)境8.7 新一代專家系統(tǒng)研究新一代專家系統(tǒng)研究第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.1 專家系統(tǒng)的概念專家系統(tǒng)的概念 8.1.1 什么是專家系統(tǒng)(expert system)1965年第一個專家系統(tǒng)dendral問世; 20世紀80年代中期以后，隨著知識工程技術日漸成熟，各種各樣的實用專

2、家系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。 什么是專家系統(tǒng)？ 專家系統(tǒng)（expert system,亦稱專家咨詢系統(tǒng))是一種智能計算機(軟件)系統(tǒng)，具有特定領域?qū)＜医鉀Q困難、復雜的實際問題能力。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 專家：在某一專門領域，他（她）解決問題時具有超凡的能力和水平。專家之所以具有超凡的能力和水平，是因為：(1)專家擁有豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗，特別是經(jīng)驗知識；(2)專家具有獨特的思維方式，即獨特的分析問題和解決問題的方法和策略。 專家系統(tǒng)應該具備以下四個要素： (1) 應用于某專門領域； (2) 擁有專家級知識； (3) 能模擬專家的思維； (4) 能達到專家級水平。 所以，專家系統(tǒng)就應該是： 應用于某

3、一專門領域，擁有該領域相當數(shù)量的專家級知識，能模擬專家的思維，能達到專家級水平，能像專家一樣解決困難和復雜的實際問題的計算機(軟件)系統(tǒng)。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.1.2 專家系統(tǒng)的特點 專家系統(tǒng)具有下列特點： (1)處理問題的性質(zhì)：善于解決不確定、非結構化、沒有算法解或雖有算法解但在現(xiàn)有機器上無法實施的困難問題。 (2)處理問題方法：靠知識和推理來解決問題（傳統(tǒng)軟件使用固定算法求解）基于知識的智能問題求解系統(tǒng)。 (3)系統(tǒng)結構：強調(diào)知識與推理的分離，系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴充性。 (4)具有解釋功能：在運行中能回答用戶提出的問題，同時還能對輸出（結論）或處理問題的過程作出解釋。 (

4、5)具有“自學習”能力：即不斷對已有知識進行擴充、完善和提煉。這一點是傳統(tǒng)系統(tǒng)所無法比擬的。 (6)專家系統(tǒng)它始終如一地以專家級水平求解問題（人類專家可能疲勞、遺忘，易受環(huán)境、情緒等影響）第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.1.3 專家系統(tǒng)的類型 專家系統(tǒng)分類目前無定論。通常可以從不同側(cè)面分類：。 1.按用途分類 診斷型、解釋型、預測型、決策型、設計型、規(guī)劃型、控制型、調(diào)度型等幾種類型。 2.按輸出結果分類：分析型和設計型。 3.按知識表示分類 知識表示形式：產(chǎn)生式規(guī)則、一階謂詞邏輯、框架、語義網(wǎng)等。 4.按知識分類 知識可分為確定性知識和不確定性知識，所以，專家系統(tǒng)又可分為精確推理型和不精確推

5、理型。 5.按技術分類 符號推理專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)。 6.按規(guī)模分類：大型協(xié)同式專家系統(tǒng)和微專家系統(tǒng)。 7.按結構分類：集中式和分布式，單機型和網(wǎng)絡型(即網(wǎng)上專家系統(tǒng)) 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.1.4 專家系統(tǒng)與知識系統(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，因為“知識就是力量”。但專家系統(tǒng)擁有的知識是專家知識，而且主要是經(jīng)驗性知識。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系統(tǒng)（knowledge based system)的智能系統(tǒng)，其中的知識已不限于人類專家的經(jīng)驗知識，而可以是領域知識或通過機器學習所獲得的知識等。所以，對于這種廣義的知

6、識系統(tǒng)來說，專家系統(tǒng)就是一種特殊的知識系統(tǒng)。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.1.5 專家系統(tǒng)與知識工程 專家系統(tǒng)是基于知識的系統(tǒng)，建造專家系統(tǒng)就涉及到：知識獲?。╧nowledge acquisition），即從人類專家那里或從實際問題那里搜集、整理、歸納專家級知識。知識表示（knowledge representation），即以某種結構形式表達所獲取的知識，并將其存儲于計算機之中知識的組織與管理(即知識庫，knowledge base)：建立與維護等)知識利用(即使用知識進行推理)一系列關于知識處理的技術和方法。 關于知識處理的技術和方法已形成一個稱為“知識工程”（knowledge e

7、ngineering）的學科領域。 專家系統(tǒng)促使了知識工程的誕生和發(fā)展，知識工程又是為專家系統(tǒng)服務的。所以，現(xiàn)在的“專家系統(tǒng)”與“知識工程”幾乎已成為同義語。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.1.6 專家系統(tǒng)與人工智能 ; 專家系統(tǒng)是智能計算機系統(tǒng)。從學科范疇講，專家系統(tǒng)屬人工智能的一個分支，而且是應用性最強、應用范圍最廣的一個重要分支。所以，現(xiàn)在“專家系統(tǒng)”這一名詞既是系統(tǒng)名稱又是一個學科名稱。專家系統(tǒng)已是當前計算機應用的一個熱門研究方向。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.2 專家系統(tǒng)的結構專家系統(tǒng)的結構 專家系統(tǒng)是一種計算機應用系統(tǒng)。由于應用領域和實際問題的多樣性，所以，專家系統(tǒng)的結構

8、也就多種多樣。但抽象地看，它們還是具有許多共同之處。 概念結構 實際結構 網(wǎng)絡與分布式結構 黑板模型 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.2.1 概念結構 從概念來講，知識庫和推理機是兩個最基本的模塊。 1.知識庫（knowledge base) 以某種表示形式存儲于計算機中的知識集合。知識庫通常是以一個個文件的形式存放于外部介質(zhì)上，專家系統(tǒng)運行時將被調(diào)入內(nèi)存。知識庫中的知識一般包括專家知識、領域知識和元知識。圖81 專家系統(tǒng)的概念結構 人 機 界 面推 理 機解釋模塊動態(tài)數(shù)據(jù)庫知識庫知識庫管理系統(tǒng)第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 2.推理機（inference engine） 推理機就是實現(xiàn)機器推

9、理的程序。這里的推理既包括通常的邏輯推理，也包括基于產(chǎn)生式的操作。3.動態(tài)數(shù)據(jù)庫 動態(tài)數(shù)據(jù)庫（也稱全局數(shù)據(jù)庫、綜合數(shù)據(jù)庫、工作存儲器、黑板等），是存放初始證據(jù)事實、推理結果和控制信息的場所，或者說它是上述各種數(shù)據(jù)構成的集合。 4.人機界面： 最終用戶與專家系統(tǒng)的交互界面。 5.解釋模塊 專門負責向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為和結果。 人 機 界 面推 理 機解釋模塊動態(tài)數(shù)據(jù)庫知識庫知識庫管理系統(tǒng)6.知識庫管理系統(tǒng) 知識庫管理系統(tǒng)是知識庫的支撐軟件。其功能包括知識庫的建立、刪除、重組；知識的獲取（如錄入/編輯）、維護、查詢、更新；以及對知識的檢查，包括一致性、冗余性和完整性檢查等等。第第8章章 專家系

10、統(tǒng)專家系統(tǒng) 圖82 專家系統(tǒng)的理想結構 人 機 界 面推 理 機解釋模塊動態(tài)數(shù)據(jù)庫知識庫自學習模塊知識庫管理系統(tǒng)第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.2.2 實際結構 es的概念模型強調(diào)知識和推理這一主要特征。es與其他應用系統(tǒng)一樣是解決實際問題的，而實際問題往往是錯綜復雜的，可能需要多次推理或多路推理或多層推理才能解決，而知識庫也可能是多塊或多層的。圖83 專家系統(tǒng)的實際結構示例 總 控處理模塊1處理模塊n專家模塊1專家模塊m第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 圖84 地質(zhì)圖件繪制智能輔助系統(tǒng)結構 多 媒 體 人 機 界 面方 法知識庫參 數(shù)知識庫動態(tài)數(shù)據(jù)庫評 價知識庫自學習模 塊知 識 庫 管 理

11、系統(tǒng)方法選擇參數(shù)確定圖件繪制圖形評價io接口第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.2.3 網(wǎng)絡與分布式結構 在網(wǎng)絡環(huán)境下，專家系統(tǒng)也可以設計成網(wǎng)絡結構，如client/server結構 或者browser/server)結構。 分布式結構則是一種適合于分布式計算環(huán)境的專家系統(tǒng)。例如那些多學科、多專家聯(lián)合作業(yè)，協(xié)同解題的大型專家系統(tǒng)。這類專家系統(tǒng)也就稱為分布式專家系統(tǒng)。知識庫推理機推理機知識庫人機界面人機界面客戶（機） browser服務器 web serverinternet第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.2.4 黑板模型 “黑板模型”是一種典型而流行的專家系統(tǒng)結構模式。 1.黑板 “黑板”，就

12、是一個分層的全局工作區(qū)（或稱全局數(shù)據(jù)庫）。 2.知識源 知識源:一個知識模塊。 3.控制機構 控制機構是求解問題的推理機構，由監(jiān)督程序和調(diào)度程序組成。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 圖86 黑板結構 監(jiān)督程序 調(diào)度程序?qū)哟蝞.層次2層次1知識源1知識源2.知識源m第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 黑板模型適于求解那些大型復雜且可分解為一系列層次化的子問題的問題。例如，在hearsay中，黑板被分為六個信息層，每個信息層對應著問題的一個中間表示層次。六個信息層分別為： (1)參數(shù)層：從語音信號中提取有意義的參數(shù)。有四種不同的參數(shù)，統(tǒng)稱為zapdash參數(shù)。 (2)片段層：用于描述系統(tǒng)對語音信號的分割

13、與歸類。此層主要包含音素與單音等信息。 (3)音節(jié)層：用于描述語音信號的音節(jié)劃分。此層主要為由片段層上信息構成的音節(jié)信息。 (4)單詞層：用于記錄根據(jù)音節(jié)劃分所識別出的孤立詞信息。 (5)詞組層：用于記錄根據(jù)單詞層中的詞匯所生成的詞組信息。 (6)短語層：用于記錄多個詞匯或詞組構成的短語和句子信息。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.3 專家系統(tǒng)的應用與發(fā)展概況專家系統(tǒng)的應用與發(fā)展概況 8.3.1 專家系統(tǒng)的意義 專家系統(tǒng)是一種智能計算機系統(tǒng)，所以，專家系統(tǒng)將計算機的應用提高到了一個新的高度和水平。專家系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)了人類專家的“分身”和“延年”使專家們豐富而寶貴的知識和經(jīng)驗能不受時間和空間

14、的限制，而得到最大限度地傳播和應用，從而產(chǎn)生最大的社會效益和經(jīng)濟效益。 另一方面，建造專家系統(tǒng)可以使專家本人得到提高和發(fā)展。因為，建造和使用專家系統(tǒng)的過程，本身就是專家知識的一個不斷積累、總結、補充、完善、升華、提高、發(fā)展的過程。另外，還可將多個專家的知識和經(jīng)驗綜合在一起，構成多專家系統(tǒng)第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.3.2 專家系統(tǒng)的應用與發(fā)展 es作為一種計算機應用系統(tǒng)，目前典型應用： 醫(yī)學診斷/地質(zhì)勘探/物質(zhì)結構分析/生物遺傳研究/市場決策/生產(chǎn)管理. 第一個專家系統(tǒng)叫dendral，1965，斯坦福大學，費根鮑姆等 dendral系統(tǒng)同時開發(fā)的，還有數(shù)學專家系統(tǒng)macsyma。它是一

15、個大型的人機交互式系統(tǒng)。 進入20世紀90年代，模糊技術、神經(jīng)網(wǎng)絡和面向?qū)ο蟮刃录夹g迅速崛起，為專家系統(tǒng)注入了新的活力。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.4 專家系統(tǒng)實例專家系統(tǒng)實例 8.4.1 prospector的功能與結構 prospector的研究目的是：勘探礦產(chǎn)資源，擴大技術培訓及集中多個專家的知識來解決給定的資源問題。prospector系統(tǒng)給地質(zhì)勘探人員提供下列幾種幫助： (1)勘探評價。 (2)區(qū)域資源評價。 (3)井位選擇。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 圖87是prospector系統(tǒng)的總體結構圖。系統(tǒng)的勘探知識以某種外部格式存儲在磁盤中。同樣，一個具有1000多個單詞的分

16、類學詞典也存儲在磁盤上。每一次咨詢開始時，由一個叫做parsefile的程序把這些外部表示轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的內(nèi)部表示形式推理網(wǎng)絡。推理網(wǎng)絡就是系統(tǒng)賴以完成咨詢的知識庫。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 圖87 prospector總體結構 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.4.2 知識表示 prospector系統(tǒng)的知識用語義網(wǎng)絡和規(guī)則表示。知識庫由三級網(wǎng)絡組成，它們分別用來描述概念、陳述和推理規(guī)則。 1.分類學網(wǎng)絡 最低一級網(wǎng)絡是分類學網(wǎng)絡（見圖88），它的作用有些類似于mycin中的詞典，給出了系統(tǒng)所知道的1000多個詞匯的用途及相互關系。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 出了系統(tǒng)所知道的1000多

17、個詞匯的用途及相互關系。例如，由“關系”的節(jié)點為根的子樹中所有詞匯在描述知識時作為表示關系的詞匯使用。除此之外，分類學網(wǎng)絡還給出了概念之間的從屬關系，它們由四種弧表示： :表示n2是n1的子集。例如，火成巖是巖石的一類。 :表示n2是n1的元素。例如，fromof是一個具體的關系。12snn 12enn 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) :既表示n2是n1的子集，說明n2與n1的其他用ds鏈接的子集是不相交的概念。例如，年代和形態(tài)是系統(tǒng)中的兩類詞匯，但這兩類詞匯中沒有相同的詞匯，即它們沒有共同的后代。而硫化物和濁變物是相交的概念，它們有共同的后代黃鐵礦。 12denn 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)

18、 圖8-8 分類學網(wǎng)絡 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 2.分塊語義網(wǎng)絡 在prospector中，陳述由分塊語義網(wǎng)絡表示。分塊語義網(wǎng)絡是把整個網(wǎng)絡劃分成若干個塊，每一塊（稱為語義空間）表示一句完整的話（陳述）。例如，“角閃石部分地轉(zhuǎn)化為黑云母”，可由圖89表示。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 圖89 語義空間 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 每一個陳述都可以分解為若干個簡單斷言。所謂簡單斷言指僅包含一個關系及其各參量的斷言。圖89可分解為七個簡單斷言的集合： 1：存在一個實體e1 2：e1的成分是角閃石 3：存在一個實體e2 4：e2的成分是黑云母 5：存在一個過程p1 第第8章章 專家系統(tǒng)專家

19、系統(tǒng) 6：在p1過程中，e1轉(zhuǎn)化為e2 7：在p1過程中，轉(zhuǎn)化的程度是部分轉(zhuǎn)化 分塊語義網(wǎng)絡中的空間還可以用邏輯連接詞and、or、not連接成更大的語義空間，表示更復雜的陳述。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 3.推理網(wǎng)絡 在prospector中，判斷性知識用規(guī)則表示。每條規(guī)則的形式如下： eh(ls，ln) 推理網(wǎng)絡中每條規(guī)則的ls、ln及每個語義空間h的p(h)均由領域?qū)＜以诮ㄔ熘R庫時提供。 除了表示規(guī)則的弧外，推理網(wǎng)絡中還有代表先后順序的弧(用虛線表示，見圖8-10)，其意義如下： 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) ：只有當p(e 1|s)p(e 1)時，才考慮e2 ；只有p(e 1 |s

20、)p(e 1)時，才考慮e2 ：只有p(e 1 |s)p(e 1)時，才考慮e2 ： e2 :僅指明考慮e2之前先考慮e 10,512ee 5,512ee 5,012ee 2,212ee 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 其中p(e 1 |s)、p(e1 )分別是e1的后驗概率和先驗概率，稱e1是e2的上下文。關于虛線上方括號中數(shù)字的精確含義，將在8.4.3中解釋。設e1 、e2分別是“存在硫化物”和“重晶石覆蓋硫化物”，顯然若已知e1為假，再去提問“是否重晶石覆蓋硫化物”是不合適的。通過使用先后順序弧把e1 、 e2連接起來： 0,512ee 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 圖810 推理網(wǎng)絡 第

21、第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 圖811 知識庫中三種網(wǎng)絡的關系 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.4.3 主觀貝葉斯推理模型 prospector的不確定性推理模型是建立在概率論的基礎上的，稱為主觀貝葉斯(bayesian)方法。與mycin系統(tǒng)的確定性理論不同，主觀貝葉斯方法是在概率論基礎上嚴格推導出來的。因為整個推導過程比較復雜，限于篇幅，這里就不詳細介紹了，這里只介紹主觀貝葉斯方法所使用的一些公式。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 1.貝葉斯公式 貝葉斯公式是概率論中的一個著名的條件概率公式，也稱為貝葉斯定理。只有一個條件的貝葉斯公式為() (/)(/)( )p h p e hp h ep e

22、(81) 其中p(e)、p(h)分別是e、h為真的先驗概率，p(e|h)是h為真時e真的條件概率，p(h|e)是e為真時h真的條件概率。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 2.充分性度量、必要性度量和可能性度量由(81)式有() ()()( )()() ()()() ()p h p e hp h ep ep h ep h p h ep h ep h p e h(82) (83) ( )( )1( )()()p xo xp xp e hlsp e h稱為可能性度量(或幾率函數(shù)) 稱為充分性度量第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 則(83)式可變?yōu)?()()o h eo hls(84) 上面各式是e肯定存在

23、時的情況。當e肯定不存在時，用同樣的方法可得 ()() ()()() ()()()p h ep h p e hp h ep h p e hp e hlnp e h稱為充分性度量 (85) 則(85)式可變?yōu)?()()o h eo hln(86) 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 現(xiàn)在利用o(x)的定義式，又消去(84)、(86)式中的o(x)，則得 ()()1()(1)()()1()(1)ls p hp h ep hlsln p hp h ep hln(87) (88) 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 3.后驗概率計算 1)證據(jù)肯定的情況 利用(87)、(88)兩式就可以計算證據(jù)e肯定存在或肯定不存

24、在時，假設h為真的條件概率。 例 8.1 設有規(guī)則 if e1 then(100,0.01)h1(p(h1)=0.6) 證據(jù)e1肯定存在，那么，利用公式(87)，可得1111()1000.6()0.991()(1)10.699ls p hp h ep hls第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 2) 證據(jù)不確定的情況 上面是根據(jù)已知信息集s(即與e有關的所有觀察)可確切地判定e成立(p(e|s)1)或不成立(p(e|s)0)時，利用公式(87)、(88)可計算出假設h成立的后驗概率。但多數(shù)情況下，證據(jù)e成立的概率是不確定的，即0p(e|s)1。在這種情況下，就不能再用公式(87)、(88)了。第第8章

25、章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) duda等人證明了在某種合理的假定下，p(h|s)是p(e|s)的線性函數(shù)，并且滿足： p(h|e) 當p(e|s)=1時 p(h|s)= p(h| ） 當p(e|s)=0時 p(h) 當p(e|s)=p(e)時 e第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 但由于p(e)、p(h)都是專家給出的主觀概率，它們常常是不一致的，所以當p(e|s)p(e)時，按線性函數(shù)計算出的理論值p(h|s)pc(h)通常并不是專家給出的先驗概率p(h)。當p(e)p(e|s)p(h)，但按線性函數(shù)計算卻是p(hs)p(e|se)，這與用戶本來的意圖相左。為了避免這種情況，類似于解決主觀概率不一致的方法

26、，引入分段線性插值函數(shù) 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) ()ec e s5 ()( )1( )5 ()( )( )eep e sp ep ep e sp ep e若p(e)p(e|se)1 若0p(e|se)p(e3)，可得 1212333()()()() ()()1( )eeeep h ep hp h ssp hp e ssp ep e第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 其次計算在r2作用下h的后驗概率p(h|se4)，過程如下： (1)用公式(810)計算e4的后驗概率p(e4|se4)得p(e4|se4)0.84。 (2)用公式(87)、(88)、(89)計算p(h| se4)得p(h| se4

27、)0.81最后用公式(813)計算p(h|s)： o(h|se1se2)p(h| se1se2)/1-p(h| se1se2)0.39 o(h)p(h)/1-p(h)0.11 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) l1o(h|se1se2)/o(h)3.55 o(h|se4)4.26 l238.73 o(h|se1se2se4)o(h)*l1*l215.12從而 p(h| se1se2se4)o(h| se1se2se4)/1o(h| se1se2se4)0.94 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 圖812 推理網(wǎng)絡舉例 h0.1e3 0.1 e40.2 e20.1 el0.5and(500,1)(100

28、0,0.01)第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.4.4 控制策略 prospector系統(tǒng)的推理方式稱為混合主動式，即正反向混合推理與接納用戶自愿提供信息相結合的推理方式。 與mycin系統(tǒng)不同，在prospector中沒有獨立于知識庫而存在的綜合數(shù)據(jù)庫，它的推理網(wǎng)絡同時兼有知識庫和數(shù)據(jù)庫兩種身份。因此，prospector推理過程實際上就是不斷修改各個語義空間的后驗概率，直到頂層語義空間的后驗概率超過其一閾值時為止。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 1.正向推理 prospector的正向推理實際上就是概率傳播，它由傳播程序完成。每當用戶輸入一個證據(jù)e及其后驗概率p(e|s)，傳播程序就利用主

29、觀bayesian方法，將p(e|s)的影響沿推理網(wǎng)絡傳播，修改更高層次上語義空間的后驗概率，直至將p(e|s)的影響傳至頂層空間。傳播程序傳播后驗概率的方法如前所述。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 2.主動式推理 咨詢開始時，用戶可根據(jù)自己的觀察為系統(tǒng)提供信息。prospector在這方面為用戶提供了很大的靈活性，用戶不僅可以輸入有關可問空間的信息，還可以輸入關于推理網(wǎng)絡任意層次上的假設空間的信息。這種方法有利于充分發(fā)揮用戶的作用，加快推理速度。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 3.反向推理 當正向推理（概率傳播）結束后，如果系統(tǒng)已能確定存在某種礦藏，則輸出結果;否則進入反向推理過程。反向推理由

30、提問系統(tǒng)負責，它為斷定某種礦藏的成礦可能性尋求有關的數(shù)據(jù)。因此反向推理實際上要完成兩個任務： (1)應優(yōu)先考慮哪個頂層假設，這主要根據(jù)評判函數(shù)jh來選擇; (2)應向用戶詢問哪個空間，這主要根據(jù)評判函數(shù)j*來選擇。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.4.5 解釋系統(tǒng) prospector的解釋系統(tǒng)可以為用戶提供幾種不同類型的解釋。最簡單的一種是允許系統(tǒng)在咨詢的任何時刻檢查推理網(wǎng)絡中某個語義空間的后驗概率。其次解釋系統(tǒng)可以向用戶顯示推斷某一結論所使用的規(guī)則。用戶還可以檢查某一數(shù)據(jù)對推理網(wǎng)絡中任一特定空間概率的影響。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.5 專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 8.

31、5.1 一般步驟與方法 專家系統(tǒng)開發(fā)過程也要遵循軟件工程的步驟和原則：要進行系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計等幾個階段的工作。但它又有其獨特的地方。就“純專家系統(tǒng)”而言，則其設計與實現(xiàn)的一般步驟可如圖 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)的開發(fā)有如下特點： (1)知識獲取與知識表示設計是一切工作的起點； (2)知識表示以及知識描述語言確定后，各項設計可并行。 需說明的是： (1)對于一個實際的專家系統(tǒng)，在系統(tǒng)分析階段就應該首先弄清楚：系統(tǒng)中哪里需要專家知識，專家知識的作用是什么？以及系統(tǒng)中各專家模塊的輸入是什么？處理是什么？輸出又是什么？ (2)系統(tǒng)投入運行后，其知識庫還需不斷擴充、更新、完善和優(yōu)化。所以

32、專家系統(tǒng)的開發(fā)更適合采用快速原型法。 (3)對系統(tǒng)的評價主要看它解決問題是否達到專家水平。 (4)上述的所謂“純專家系統(tǒng)”是一個實際專家系統(tǒng)中的專家模塊部分。對于系統(tǒng)其他部分的分析與設計，原則上與一般計算機應用系統(tǒng)完全一樣，即可按軟件工程規(guī)范和程序進行。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.5.3 知識獲取 知識獲取是建造專家系統(tǒng)的關鍵一步，也是較為困難的一步，被稱為建造專家系統(tǒng)的“瓶頸”。知識獲取大體有三種途徑。 1.人工獲取 人工獲取，即計算機人員（或知識工程師）與領域?qū)＜液献?，對有關領域知識和專家知識，進行挖掘、搜集、分析、綜合、整理、歸納，然后以某種表示形式存入知識庫。 2.半自動獲取 半

33、自動獲取，即利用某種專門的知識獲取系統(tǒng)，采取提示、指導或問答的方式，幫助專家提取、歸納有關知識，并自動記入知識庫。 3.自動獲取 自動獲取又可分為兩種形式：一種是系統(tǒng)本身具有一種機制，使得系統(tǒng)在運行過程中能不斷地總結經(jīng)驗，并修改和擴充自己的知識庫；另一種是開發(fā)專門的機器學習系統(tǒng)，讓機器自動從實際問題中獲取知識，并填充知識庫。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.5.4 知識表示與知識描述語言設計 知識表示與知識描述語言設計是根據(jù)所獲得知識的特點，選擇或設計某種知識表示形式，并為這種表示形式設計相應的知識描述語言。 所謂知識描述語言，是知識的具體語法結構形式。所以，知識描述語言既要面向人、面向用戶

34、，又要面向知識表示、面向機器，還要面向推理、面向知識運用。 這要求知識描述語言既能為用戶提供一種方便、易懂的外部知識表達形式，又能將這種外部表示轉(zhuǎn)換成容易存儲、管理、運用的內(nèi)部形式。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.5.5 知識庫與知識庫管理系統(tǒng)設計 知識庫是專家系統(tǒng)的核心。知識庫的質(zhì)量直接關系到整個系統(tǒng)的性能和效率。因此，知識庫涉及知識的組織與管理。知識的組織決定了知識庫的結構，知識的管理包括知識庫的建立、刪除、重組及維護和知識的錄入、查詢、更新、優(yōu)化等，還有知識的完整性、一致性、冗余性檢查和安全保護等方面的工作。知識管理由知識庫管理系統(tǒng)負責。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 1.知識庫設計

35、知識庫設計主要是設計知識庫的結構，即知識的組織形式。專家系統(tǒng)（或知識工程）中所涉及的知識庫，一般取層次結構或網(wǎng)狀結構模式。 這種結構模式是把知識按某種原則進行分類，然后分塊分層組織存放，如按元知識、專家知識、領域知識等分層組織；而每一塊和每一層還可以再分塊分層。這樣，整個知識庫就呈樹型或網(wǎng)狀結構。如圖所示是一個醫(yī)療診斷知識庫的層次結構。醫(yī)療診斷知識庫消化系統(tǒng)知識庫呼吸系統(tǒng)知識庫肝病知識庫胃病知識庫第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 2.知識庫管理系統(tǒng)設計 知識庫管理系統(tǒng)應包括知識一級和知識庫一級的各種管理功能。 1)知識操作功能設計 知識操作功能包括知識的添加、刪除、修改、查詢和統(tǒng)計等。這些功能可采

36、用兩種方法來實現(xiàn): 通過人機對話方式實現(xiàn)知識的增、刪、改、 查等； 全屏幕編輯方式，要求用戶直接用鍵盤按知識描述語言的語法格式編輯知識。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 2)知識檢查功能設計 知識檢查包括知識的一致性、完整性、冗余性等檢查。 所謂知識的一致性:知識庫中的知識必須是相容的，即無矛盾。例如，下面的兩條規(guī)則 r1:if p thenq r2:if p thenq 不能同時存在于一個知識庫中。 知識的完整性約束: 例如，小王的身高x米，則必須滿足：x3米； 弟弟今年x歲，哥哥今年y歲，則必須滿足xy。 冗余性檢查:檢查知識庫中的知識是否存在冗余。.冗余的表現(xiàn)有重復、包含、環(huán)路等現(xiàn)象。例如，

37、下面的三條規(guī)則： r1:if p then q r2:if q then r r3:if r then p 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 3) 知識庫操作設計 知識庫操作包括知識庫（文件）的建立、刪除、分解、合并等。 知識庫的分解與合并類似于關系數(shù)據(jù)庫的投影、選擇和連接操作，它們實現(xiàn)知識庫的重組。 知識庫的重組是必要的。因為隨著系統(tǒng)的運行，可能會發(fā)現(xiàn)原先的知識組合不合理，因此就需要重新組合，這時就需要使用知識庫的分解與合并功能。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.5.6 推理機與解釋功能設計 1.從哪里著手 ; 推理機是與知識庫對應的專家系統(tǒng)的另一重要部件。推理機的推理是基于知識庫中的知識進行的

38、。所以，推理機就必須與知識庫及其知識相適應、相配套。具體來講，就是推理機必須與知識庫的結構、層次以及其中知識的具體表示形式等相協(xié)調(diào)、相匹配。否則，推理機與知識庫將無法接軌。因此，設計推理機時，首先得對知識庫有所了解。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 2. 還應考慮些什么 對推理機要考慮推理的方式、方法和控制策略等。 推理方式： 正向推理/反向推理/雙向推理？ 精確推理/不精確推理？ 串行推理/并行推理？ 單調(diào)推理/非單調(diào)推理？ 推理方法： 歸結法/自然演繹法？ 不精確推理的推理模型？ 搜索控制， 深度優(yōu)先/廣度優(yōu)先？ 沖突消解是依據(jù)優(yōu)先數(shù)/可信度或隸屬度第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 3. 算法設

39、計與程序設計 經(jīng)過上述分析，就可著手設計推理機算法。 對于一個基于規(guī)則的系統(tǒng)來說，其推理機也就相當于產(chǎn)生式系統(tǒng)中的執(zhí)行控制部件，所以其運行過程也就是產(chǎn)生系統(tǒng)的運行過程，因此，前面產(chǎn)生式系統(tǒng)所采用的算法，或者圖搜索中所用的算法也就是這里的推理機所用的算法。 算法確定后，就可進行程序設計。推理機用何種程序語言實現(xiàn)，沒有限制，如可以用傳統(tǒng)的lisp或prolog語言，也用當前流行的c或c+語言。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 4. 解釋機制如何實現(xiàn) 在推理機的設計中還得考慮解釋機制。 專家系統(tǒng)要求的解釋功能: 推理中要能回答用戶“為什么”的問題; 在推理結束后，要能回答“怎么樣（得到結果）” 從系統(tǒng)的

40、結構上，通常把解釋作為一個獨立的模塊，但實際上解釋功能也是與推理機密切相關的。因為要解釋就必須對推理進行實時跟蹤。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.5.7 系統(tǒng)結構設計 系統(tǒng)構成技術被稱為人工智能的三大技術之一。所以，對一個專家系統(tǒng)來說，其體系結構就顯得非常重要。 從原理來講，專家系統(tǒng)由知識庫、推理機等部分組成，但由于受問題領域、系統(tǒng)規(guī)模、知識表示方法、知識庫結構以及其他特殊性等諸多因素的影響，故專家系統(tǒng)的體系結構難以形成固定的模式。一般來講，有諸如獨立式（一個“純”專家模塊）、混合式（還有其他處理模塊）、集中式、分布式、層次式以及“黑板模型”等。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.5.8

41、人機界面設計 人機界面對于一個實用專家系統(tǒng)(特別是咨詢型知識系統(tǒng))來說至關重要。一個專家系統(tǒng)一般有兩個人機界面：一個是面向系統(tǒng)開發(fā)和維護者的；一個是面向最終使用者的。前一個界面由開發(fā)工具提供；后一個則是專家系統(tǒng)自身的一部分。由于圖形用戶界面(gui)的廣泛使用，所以目前專家系統(tǒng)的開發(fā)界面已達到相當高的水平。而專家系統(tǒng)的使用界面相對還比較落后。這是因為，使用界面往往要涉及“人機對話”，如人對系統(tǒng)的詢問、系統(tǒng)對人的回答，特別是系統(tǒng)對用戶的解釋。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.6 專家系統(tǒng)開發(fā)工具與環(huán)境專家系統(tǒng)開發(fā)工具與環(huán)境 8.6.1 專家系統(tǒng)開發(fā)工具 迄今已有數(shù)以百計的各種各樣的專家系統(tǒng)開發(fā)

42、工具投入使用。它們大致可分為以下幾類。 1.面向ai的程序設計語言 面向ai的程序設計語言包括lisp、prolog等。由于這些語言與領域無關，所以它們的通用性強，且使用靈活，限制少，用戶能“隨心所欲”地設計自己的系統(tǒng)。但由于一切皆要“從頭做起”，故開發(fā)周期長、效率低。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 2. 知識表示語言 這是針對知識工程發(fā)展起來的程序設計語言，因此也稱知識工程語言。這些語言并不與具體的體系和范例有緊密聯(lián)系，也不局限于實現(xiàn)任一特殊的控制策略，因而便于實現(xiàn)較廣泛的問題。 3.外殼系統(tǒng) 外殼系統(tǒng)亦稱為骨架(frame)，這種工具通常提供知識獲取模塊、推理機制、解釋功能等，只要加上領域?qū)?/p>

43、門知識，即建立起知識庫就可以構成一個專家系統(tǒng)。這類系統(tǒng)典型的代表有emycin、kas和expert等。國內(nèi)也開發(fā)出了不少這類工具系統(tǒng)。顯然，使用這種工具，開發(fā)效率最高，但限制也更多，靈活性最差。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 4.組合式構造工具 這種工具向用戶提供多種知識表示方法和多個推理控制機構，使用戶可以選擇各種組成部件，非常方便地進行組合，來設計、建造自己所需的專家系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的典型代表有age等。 5.專家系統(tǒng)工具est 一個通用專家系統(tǒng)開發(fā)工具，稱為est。 est的核心是專家系統(tǒng)設計語言esl。esl是融過程性和描述性于一體，把知識推理同其他數(shù)據(jù)處理相結合，模塊化的程序設計語言。

44、 esl是將人工智能的自動推理和搜索等功能嵌套于過程性語言之中，而esl的語句和所處理的知識(事實和規(guī)則)本身又用一階謂詞描述。第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 一個用est開發(fā)的一個小型專家系統(tǒng)示例：work(main): 主程序 make window(1,117,0,d,3,10,4,30),nl,定義主窗口 write(微機故障診斷專家系統(tǒng)),nl,nl, make window(2,27,0,a,9,40,1,16) read char(-), dialog(yes), 開人機對話 meta kb(kb0), 將元知識調(diào)入內(nèi)存 goal trouble(y), 推理目標 reasonin

45、g(backward), 啟動反向推理機第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) show conclusion, 顯示結論clear window,write(解釋否(y/n)?),read char(c),if c=ythen explain 給出解釋else write(),clear memory,clear window. 運行結束,清屏 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 8.6.2 專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 隨著專家系統(tǒng)技術的普及與發(fā)展，人們對開發(fā)工具的要求也越來越高。 一個好的專家系統(tǒng)開發(fā)工具應向用戶提供多方面的支持，包括從系統(tǒng)分析、知識獲取、程序設計到系統(tǒng)調(diào)試與維護。 第第8章章 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境:集成的專家系統(tǒng)開發(fā)工具包。主要功能: (1)多種知識表示：至少提供兩、三種以上知識表