專家系統(tǒng)習(xí)題解答

1、第七章專家系統(tǒng)7.1. 答：（1）專家系統(tǒng)的定義令費(fèi)根鮑姆（E. A . Feigenbaum）：專家系統(tǒng)是一種智能的計(jì)算機(jī)程序，它運(yùn)用知識和推理步驟來 解決只有專家才能解決的復(fù)雜問題”帑 專家系統(tǒng)是基于知識的系統(tǒng)，用于在某種特定的領(lǐng)域中運(yùn)用領(lǐng)域?qū)＜叶嗄攴e累的經(jīng)驗(yàn)和專門知識， 求解需要專家才能解決的困難問題詁保存和大面積推廣各種專家的寶貴知識博采眾長:比人類專家更可靠，更靈活（2）專家系統(tǒng)的特點(diǎn) 具有專家水平的專門知識專家系統(tǒng)中的知識按其在問題求解中的作用可分為三個層次：數(shù)據(jù)級、知識庫級和控制級詁數(shù)據(jù)級知識（動態(tài)數(shù)據(jù)）：具體問題所提供的初始事實(shí)及在問題求解過程中所產(chǎn)生的中間結(jié) 論、最終結(jié)論數(shù)據(jù)

2、級知識通常存放于數(shù)據(jù)庫中H 知識庫級知識：專家的知識，這一類知識是構(gòu)成專家系統(tǒng)的基礎(chǔ) 一個系統(tǒng)性能高低取決于這種知識質(zhì)量和數(shù)量詁控制級知識（元知識）：關(guān)于如何運(yùn)用前兩種知識的知識 在問題求解中的搜索策略、推理方法 能進(jìn)行有效的推理推理機(jī)構(gòu)一一能根據(jù)用戶提供的已知事實(shí)，通過運(yùn)用知識庫中的知識，進(jìn)行有效的推理，以實(shí)現(xiàn) 問題的求解專家系統(tǒng)的核心是知識庫和推理機(jī) 具有啟發(fā)性除能利用大量專業(yè)知識外，還必須利用經(jīng)驗(yàn)判斷知識來對求解問題作出多個假設(shè)（依據(jù)某些條件 選定一個假設(shè)，使推理繼續(xù)進(jìn)行） 能根據(jù)不確定（不精確）的知識進(jìn)行推理綜合利用模糊的信息和知識進(jìn)行推理，得出結(jié)論 具有靈活性知識庫與推理機(jī)相互獨(dú)立，

3、使系統(tǒng)易于擴(kuò)充，具有較大的靈活性 具有透明性H 一般有解釋機(jī)構(gòu)，所以具有較好的透明性S 解釋機(jī)構(gòu)向用戶解釋推理過程，回答Why ？ ”、 How ？ ”等問題 具有交互性一般都為交互式系統(tǒng)，具有較好的人機(jī)界面誹一方面它需要與領(lǐng)域?qū)＜一蛑R工程師進(jìn)行對話以獲取知識；另一方面它也需要不斷地從用戶處 獲得所需的已知事實(shí)并回答詢問7.2. 答：專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)人機(jī)接口、推理機(jī)、知識庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、知識獲取機(jī)構(gòu)、解釋機(jī)構(gòu)用戶領(lǐng)域?qū)ｕ怪R工程師數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)核心知識庫:主要用來存放領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑膶ｉT知識（1）知識表達(dá)方法的選擇 （最多的三種表示方法是產(chǎn)生式規(guī)則、框架和語義網(wǎng)絡(luò)） 充分表示領(lǐng)域知識 能充分

4、、有效地進(jìn)行推理 便于對知識的組織、維護(hù)與管理 便于理解與實(shí)現(xiàn)（2）知識庫管理冗余和矛盾一致性和完整性安全性推理機(jī)特 模擬領(lǐng)域?qū)＜业乃季S過程，控制并執(zhí)行對問題的求解器 能根據(jù)當(dāng)前已知的事實(shí)，禾U用知識庫中的知識，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)論為止器推理機(jī)包括推理方法和控制策略兩部分部推理方法有精確推理和不精確推理（已在推理章節(jié)介紹）盟控制策略主要指推理方向控制及推理規(guī)則選擇策略帶推理有正向推理、反向推理和正反向混合推理盟推理策略一般還與搜索策略有關(guān)（已在推理章節(jié)介紹）誥推理機(jī)性能/構(gòu)造與知識的表示方法有關(guān)，但與知識的內(nèi)容無關(guān) 保證推理機(jī)與知識庫的獨(dú)立性，提高靈活性知識

5、獲取機(jī)構(gòu) 瓶頸”是建造和設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的關(guān)鍵帶 基本任務(wù)是為專家系統(tǒng)獲取知識，建立起健全、完善、有效的知識庫，以滿足求解領(lǐng)域問題的需部要對知識進(jìn)行一致性、完整性檢測 人機(jī)接口盟 專家系統(tǒng)與領(lǐng)域?qū)＜?、知識工程師、一般用戶間進(jìn)行交互的界面，由一組程序及相應(yīng)的硬件組成,用于完成輸入輸出工作內(nèi)部表示形式與外部表示帶 更新、完善、擴(kuò)充知識庫；推理過程中人機(jī)交互；結(jié)束時(shí)顯示結(jié)果 形式的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫 又稱黑板”綜合數(shù)據(jù)庫”或動態(tài)數(shù)據(jù)庫”主要用于存放用戶提供的初始事實(shí)、問題描述及系統(tǒng) 運(yùn)行過程中得到的中間結(jié)果、最終結(jié)果等信息誹 數(shù)據(jù)庫是推理機(jī)不可缺少的工作場地，同時(shí)由于它可記錄推理過程中的各種有關(guān)信息，又為解釋

6、機(jī)構(gòu)提供了回答用戶咨詢的依據(jù)（需相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理程序）解釋機(jī)構(gòu)：回答用戶提出的問題，解釋系統(tǒng)的推理過程，使系統(tǒng)對用戶透明7.3 答:(1) 傳統(tǒng)程序是依據(jù)某一確定的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來求解某一確定的問題，而專家系統(tǒng)是依據(jù)知識和推理來 求解問題，這是專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序的最大區(qū)別傳統(tǒng)程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法專家系統(tǒng)=知識+推理(2) 傳統(tǒng)程序把關(guān)于問題求解的知識隱含于程序中，而專家系統(tǒng)則將知識與運(yùn)用知識的過程即推理機(jī)分離(使專家系統(tǒng)具有更大的靈活性，使系統(tǒng)易于修改)(3) 從處理對象來看，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)則面向符號處理傳統(tǒng)程序處理的數(shù)據(jù)多是精確的，對數(shù)據(jù)的檢索是基于模式的布

7、爾匹配，而專家系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)和知識大多是不精確的、模糊的，知識的模式匹配也多是不精確的(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)，可對自己的行為作出解釋(5) 傳統(tǒng)程序因?yàn)槭歉鶕?jù)算法來求解問題，所以每次都能產(chǎn)生正確的答案，而專家系統(tǒng)則像人類專家那樣工作，通常產(chǎn)生正確的答案，但有時(shí)也會產(chǎn)生錯誤的答案(這也是專家系統(tǒng)存在的問題之一)專家系統(tǒng)有能力從錯誤中吸取教訓(xùn)，改進(jìn)對某一工作的問題求解能力(6) 從系統(tǒng)的體系結(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)7.4答：可行性分析：威特曼( Watermam)從三方面研究如何選擇適合專家系統(tǒng)開發(fā)的問題(1) 什么情況下開發(fā)專家系統(tǒng)是可能

8、的？(滿足！) 問題的求解主要依靠經(jīng)驗(yàn)性知識，而不需要大量運(yùn)用常識性知識 存在真正的領(lǐng)域?qū)＜?，這也是開發(fā)專家系統(tǒng)最重要的要求之一專家必須能夠描述和解釋他們用于解決領(lǐng)域問題的方法 一般某領(lǐng)域中有多個專家，他們應(yīng)該對領(lǐng)域答案的選擇和精確度有基本一致的看法 任務(wù)易，有明確的開發(fā)目標(biāo)，且任務(wù)能被很好地理解(2) 什么情況下開發(fā)專家系統(tǒng)是合理的？(之一) 問題的求解能帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益 人類專家奇缺，但又十分需要，且十分昂貴 人類專家經(jīng)驗(yàn)不斷丟失 危險(xiǎn)場合需要專門知識(3) 什么情況下開發(fā)專家系統(tǒng)是合適的？(特征) 本質(zhì)一一問題本質(zhì)上必須能很自然地通過符號操作和符號結(jié)構(gòu)來進(jìn)行求解，且問題求解時(shí)需要使 用

9、啟發(fā)式知識，需要使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則才能得到答案 復(fù)雜性一一問題不是太容易且較為重要 范圍一一問題需要有適當(dāng)?shù)姆秶?選擇適當(dāng)?shù)姆秶菍＜蚁到y(tǒng)的關(guān)鍵，一般有兩個原則：一是所選 任務(wù)的大小可駕馭；二是任務(wù)要有實(shí)用價(jià)值7.5 答:專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則(1) 專門任務(wù)領(lǐng)域大小(2) 專家合作反復(fù)磋商，團(tuán)結(jié)協(xié)作原型設(shè)計(jì)從最小系統(tǒng)”到擴(kuò)充式”開發(fā)(4) 用戶參與充實(shí)、完善知識庫輔助工具提高設(shè)計(jì)效率知識庫與推理機(jī)分離體現(xiàn)特征，靈活專家系統(tǒng)的開發(fā)步驟知識工程比軟件工程更強(qiáng)調(diào)漸進(jìn)性、擴(kuò)充性問題識別階段一一知識工程師和專家確定問題的重要特點(diǎn)，抓住問題各主要方面的特征 確定人員和任務(wù) 問題識別：描述問題的特征及相應(yīng)的知識結(jié)構(gòu)

10、，明確問題的類型和范圍 確定資源：確定知識源、時(shí)間、計(jì)算設(shè)備以及經(jīng)費(fèi)等資源 確定目標(biāo)：確定問題求解的目標(biāo)（2）概念化階段主要任務(wù)是揭示描述問題所需的關(guān)鍵概念、關(guān)系和控制機(jī)制，子任務(wù)、策略和有關(guān)問 題求解的約束 什么類型的數(shù)據(jù)有用，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如何？ 問題求解時(shí)包括哪些過程，這些過程中有哪些約束？ 問題是如何劃分成子問題的？ 信息流是什么？哪些信息是由用戶提供的，哪些信息是應(yīng)當(dāng)導(dǎo)出的？ 問題求解的策略是什么？（3）形式化階段把概念化階段概括出來的關(guān)鍵概念、子問題和信息流特征形式化地表示出來（究竟采用什么形式，要根據(jù)問題的性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)膶＜蚁到y(tǒng)構(gòu)造工具或適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)框架） 器 三個主要的因素是：假

11、設(shè)空間 基本的過程模型 數(shù)據(jù)形式化階段假設(shè)空間 把概念描述成結(jié)構(gòu)化的對象，還是處理成基本的實(shí)體？ 概念之間的因果關(guān)系或時(shí)空關(guān)系是否重要，是否應(yīng)當(dāng)顯式地表示出來？ 假設(shè)空間是否有限？ 假設(shè)空間是由預(yù)先確定的類型組成的，還是由某種過程生成的？ 是否應(yīng)考慮假設(shè)的層次性？ 是否有與最終假設(shè)和中間假設(shè)相關(guān)的不確定性或其它的判定性因素？ 是否考慮不同的抽象級別？ 形式化階段基本的過程模型誹找到可以用于產(chǎn)生解答的基本過程模型是形式化知識的重要一步誹 過程模型包括行為的和數(shù)學(xué)的模型（如果專家使用一個簡單的行為模型，對它進(jìn)行分析，就能產(chǎn)生很多重要的概念和關(guān)系） （數(shù)學(xué)模型可以提供附加的問題求解信息，或用于檢查知

12、識庫中因果關(guān)系的一致性） 形式化階段數(shù)據(jù)的性質(zhì) 數(shù)據(jù)是不足的、充足的還是冗余的？ 數(shù)據(jù)是否有不確定性？ 對數(shù)據(jù)的解釋是否依賴于出現(xiàn)的次序？ 獲取數(shù)據(jù)的代價(jià)是多少？ 數(shù)據(jù)是如何得到的？ 數(shù)據(jù)的可靠性和精確性如何？ 數(shù)據(jù)是一致的和完整的嗎？實(shí)現(xiàn)階段帶 把形式化知識變成計(jì)算機(jī)的軟體，即要實(shí)現(xiàn)知識庫、推理機(jī)、人機(jī)接口和解釋系統(tǒng)（知識的一致性和相容性）器推理機(jī)應(yīng)能模擬領(lǐng)域?qū)＜仪蠼鈫栴}的思維過程和控制策略誹 必須很快地實(shí)現(xiàn)（實(shí)現(xiàn)原型系統(tǒng)的目的之一是檢查開發(fā)早期階段的設(shè)計(jì)是否有效）測試階段盟通過運(yùn)行實(shí)例評價(jià)原型系統(tǒng)以及用于實(shí)現(xiàn)它的表達(dá)形式，從而發(fā)現(xiàn)知識庫和推理機(jī)制的缺陷 鑒性能不佳的因素： 輸入輸出特性，即

13、數(shù)據(jù)獲取與結(jié)論表示方面存在缺陷例如，提問難于理解、含義模糊，使得存在錯誤或不充分的數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)；結(jié)論過多或者太少，沒有適當(dāng)?shù)亟M織和排序，或者詳細(xì)的程度不適當(dāng) 推理規(guī)則有錯誤、不一致或不完備 控制策略問題，不是按專家采用的自然順序”解決問題測試的主要內(nèi)容： 可靠性一一通過實(shí)例的求解，檢查系統(tǒng)所得出的結(jié)論是否與已知結(jié)論一致 知識的一致性一一向知識庫輸入一些不一致、冗余等有缺陷的知識，檢查是否可檢測出來檢查是否會給出不應(yīng)給出的答案檢測獲取知識的正確性（如有某些自動獲取知識功能） 運(yùn)行效率一一知識查詢及推理方面的運(yùn)行效率，找出薄弱環(huán)節(jié)及求解方法與策略方面的問題 解釋能力一一一是檢測能回答哪些問題，是否

14、達(dá)到了要求；二是檢測回答問題的質(zhì)量（說服力） 人機(jī)交互的便利性7.6 答:專家系統(tǒng)種類解決的問題解釋根據(jù)感知數(shù)據(jù)推理情況描述診斷根據(jù)觀察結(jié)果推斷系統(tǒng)是否有故障預(yù)測推導(dǎo)給定情況可能產(chǎn)生的后果設(shè)計(jì)根據(jù)給定要求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃設(shè)計(jì)動作控制控制整個系統(tǒng)的行為監(jiān)督比較觀察結(jié)果和期望結(jié)果修理執(zhí)行計(jì)劃來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的補(bǔ)救措施教學(xué)診斷、調(diào)整、修改學(xué)生行為調(diào)試建議故障的補(bǔ)救措施（1）解釋型專家系統(tǒng)器能根據(jù)感知數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析、推理，從而給出相應(yīng)解釋（必須能處理不完全、甚至受到干擾的信息，給出一致且正確的解釋）誹 代表性：DENDRAL （化學(xué)結(jié)構(gòu)說明）、PROSPECTOR （地質(zhì)解釋）等（2）診斷型專家系統(tǒng)弗 能

15、根據(jù)取得的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)或事實(shí)推斷出系統(tǒng)是否有故障，并能找出產(chǎn)生故障的原因，給出排除故障的方案（目前開發(fā)、應(yīng)用得最多的一類）帶代表性：PUFF （肺功能診斷系統(tǒng)）、PIP （腎臟病診斷系統(tǒng)）、DART （計(jì)算機(jī)硬件故障診斷系統(tǒng)） 等（3）預(yù)測型專家系統(tǒng)帶 能根據(jù)過去和現(xiàn)在信息（數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)）來推斷可能發(fā)生和出現(xiàn)的情況（天氣預(yù)報(bào)、市場預(yù)測、人口預(yù)測等）（4）設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)器能根據(jù)給定要求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)（工程設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)）器代表性：XCON （計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置系統(tǒng)）、KBVLSI （VLSI電路設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)）等（5）規(guī)劃型專家系統(tǒng)盟 能按給定目標(biāo)擬定總體規(guī)劃、行動計(jì)劃、運(yùn)籌優(yōu)化等（機(jī)器人動作控

16、制、軍事規(guī)劃、城市規(guī)劃等）常代表性：NOAH （機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)）、SECS（幫助化學(xué)家制定有機(jī)合成規(guī)劃的專家系統(tǒng)）、TATR （幫助空軍制訂攻擊敵方機(jī)場計(jì)劃的專家系統(tǒng)）等（6）控制型專家系統(tǒng)能根據(jù)具體情況，控制整個系統(tǒng)的行為髯代表性：YES/MVS （幫助監(jiān)控和控制 MVS操作系統(tǒng)）（7）監(jiān)督型專家系統(tǒng)器 能完成實(shí)時(shí)的監(jiān)測任務(wù)，并根據(jù)監(jiān)測到的現(xiàn)象作出相應(yīng)的分析和處理部 代表性：REACTOR （幫助操作人員檢測和處理核反應(yīng)堆事故）（8）修理型專家系統(tǒng)誹 能根據(jù)故障的特點(diǎn)制訂糾錯方案，并能實(shí)施該方案排除故障，當(dāng)制訂的方案失效或部分失效時(shí)， 能及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施（9）教學(xué)型專家系統(tǒng)部 能根據(jù)學(xué)

17、生學(xué)習(xí)過程中所產(chǎn)生的問題進(jìn)行分析、評價(jià)、找出錯誤原因，有針對性地確定教學(xué)內(nèi)容 或采取其它有效的教學(xué)手段器代表性：GUIDON （講授有關(guān)細(xì)菌感染性疾病方面的醫(yī)學(xué)知識）（10）調(diào)試型專家系統(tǒng)帶能根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)檢測被測試對象存在的錯誤，并能從多種糾錯方案中選出適用于當(dāng)前情況的最 佳方案，排除錯誤專家系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、氣象、農(nóng)業(yè)、法律、教育、交通運(yùn)輸、 機(jī)械、藝術(shù)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)本身，甚至滲透到政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等重大決策部門，產(chǎn)生了巨大的社會效益 和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也促進(jìn)了人工智能基本理論和基本技術(shù)的發(fā)展7.7答：（1）正向推理：見教材 P206圖7.7（2）反向推理：

18、見教材 P212圖7.127.8答：（1）知識獲取的任務(wù)誹 基本任務(wù)：為專家系統(tǒng)獲取知識，建立起健全、完善、有效的知識庫，以滿足求解領(lǐng)域問題需要 抽取知識識別、理解、篩選、歸納等，及自學(xué)習(xí) 知識的轉(zhuǎn)換部第一步：從專家及文獻(xiàn)資料處抽取的知識轉(zhuǎn)換為某種知識表示模式，如產(chǎn)生式規(guī)則、框架等（知識工程師完成）器 第二步：該模式表示的知識轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可直接利用的內(nèi)部形式 .（輸入及編譯實(shí)現(xiàn)） 知識的輸入知識編輯器 知識的檢測不一致、不完整等知識獲取的模式 非自動知識獲取(人工移植)知識工程師 知識編輯器 自動知識獲取器系統(tǒng)具有獲取知識的能力，它不僅可以直接與領(lǐng)域?qū)＜覍υ挘瑥膶＜姨峁┑脑夹畔⒅袑W(xué)習(xí)到專 家系

19、統(tǒng)所需的知識，而且還能從系統(tǒng)自身的運(yùn)行實(shí)踐中總結(jié)、歸納出新的知識，發(fā)現(xiàn)知識中可能 存在的錯誤，不斷自我完善，建立起性能優(yōu)良、知識完善的知識庫具有識別語音、文字、圖像的能力具有理解、分析、歸納的能力 具有從運(yùn)行實(shí)踐中學(xué)習(xí)的能力7.9 答：正確性(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的正確性 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的正確性 設(shè)計(jì)開發(fā)工具的正確性 半自動知識獲取如目標(biāo)、原則等如知識表達(dá)方法、知識推理方法、控制策略、解釋方法等 如正確使用和正確維護(hù)(2)系統(tǒng)測試的正確性 測試目的、方法、條件的正確性 測試結(jié)果、數(shù)據(jù)、記錄的正確性(3) 系統(tǒng)運(yùn)行的正確性 推理結(jié)論、求解結(jié)果、咨詢建議的正確性 推理解釋及可信度估算的正確性 知識庫知識的正確性語法、語義和語用及專業(yè)內(nèi)容有用性(1) 推理結(jié)論、求解結(jié)果、咨詢建議的有用性(2) 系統(tǒng)的知識水平、可用范圍、易擴(kuò)充性、易更新性等(3) 問題的求解能力(解題速度、推理效率)，可能場合和環(huán)境(4) 人機(jī)交互的友好性(5) 運(yùn)行可靠性、易維護(hù)性、可移植性(6) 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性(軟硬件投資、運(yùn)行維