智能控制技術(shù)(第2章-專家系統(tǒng)與專家控制系統(tǒng))

1、2.1.1、什么是專家系統(tǒng)、什么是專家系統(tǒng)2. 2、專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)、專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)用戶用戶領(lǐng)域?qū)＜翌I(lǐng)域?qū)＜抑R工程師知識工程師專專家家系系統(tǒng)統(tǒng)核核心心2.3 專家控制系統(tǒng)的設(shè)計方法專家控制系統(tǒng)的設(shè)計方法（1）專家控制系統(tǒng)的概念與分類）專家控制系統(tǒng)的概念與分類（2）專家控制系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)）專家控制系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)（3）專家控制系統(tǒng)的開發(fā)步驟）專家控制系統(tǒng)的開發(fā)步驟（4）知識的獲取與表示）知識的獲取與表示（5）推理機(jī)制）推理機(jī)制二、基本原理二、基本原理 2.3.4知識的獲取與表示知識的獲取與表示n知識表示知識表示就是知識的形式化，就是研究用機(jī)就是知識的形式化，就是研究用機(jī)器表示知

2、識的可行的、有效的、通用的原則器表示知識的可行的、有效的、通用的原則和方法。和方法。n目前常用的知識表示方法有：邏輯表示法、目前常用的知識表示方法有：邏輯表示法、語義網(wǎng)絡(luò)法、產(chǎn)生式規(guī)則、特性表示法、框語義網(wǎng)絡(luò)法、產(chǎn)生式規(guī)則、特性表示法、框架表示法、與或圖法、過程表示法、黑板結(jié)架表示法、與或圖法、過程表示法、黑板結(jié)構(gòu)、構(gòu)、Petri網(wǎng)絡(luò)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。網(wǎng)絡(luò)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。 2.3.4知識的獲取與表示知識的獲取與表示1 1、產(chǎn)生式規(guī)則表示法、產(chǎn)生式規(guī)則表示法 控制器匹配、沖突解決規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫匹配檢索1、產(chǎn)生式規(guī)則表示法、產(chǎn)生式規(guī)則表示法n規(guī)則庫：規(guī)則庫：存放了若干規(guī)則，每條產(chǎn)生式規(guī)則存放了若干規(guī)則

3、，每條產(chǎn)生式規(guī)則是一個以是一個以“如果滿足這個條件，就應(yīng)當(dāng)采取如果滿足這個條件，就應(yīng)當(dāng)采取這個操作這個操作”形式表示的語句。形式表示的語句。 n數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫：是產(chǎn)生式規(guī)則注意的中心，每個產(chǎn)是產(chǎn)生式規(guī)則注意的中心，每個產(chǎn)生式規(guī)則的左半部分表示在啟用這一規(guī)則之生式規(guī)則的左半部分表示在啟用這一規(guī)則之前數(shù)據(jù)庫內(nèi)必須準(zhǔn)備好的條件。前數(shù)據(jù)庫內(nèi)必須準(zhǔn)備好的條件。 n控制器控制器 ：是說明下一步應(yīng)該選用什么規(guī)則，是說明下一步應(yīng)該選用什么規(guī)則，也就是如何運用規(guī)則。通常從選擇規(guī)則到執(zhí)也就是如何運用規(guī)則。通常從選擇規(guī)則到執(zhí)行規(guī)則分成三步：行規(guī)則分成三步：匹配匹配、沖突解決沖突解決和和操作操作。 2.3.4知識的獲

4、取與表示知識的獲取與表示2 2、狀態(tài)空間表示法、狀態(tài)空間表示法n狀態(tài)空間表示法狀態(tài)空間表示法是知識表達(dá)的基本方法。是知識表達(dá)的基本方法。n狀態(tài)空間狀態(tài)空間是利用狀態(tài)變量和操作符號，是利用狀態(tài)變量和操作符號，表示系統(tǒng)或問題的有關(guān)知識的符號體系，表示系統(tǒng)或問題的有關(guān)知識的符號體系，通常可以用三元組來表示：通?？梢杂萌M來表示： 其中其中Q Qs s表示初始狀態(tài)，表示初始狀態(tài)，Q Qg g表示目標(biāo)狀態(tài)，表示目標(biāo)狀態(tài)，F(xiàn) F表示操作。表示操作。 2.3.4知識的獲取與表示知識的獲取與表示3 3、框架表示法、框架表示法n框架框架是一個嵌套的連接表，用于表是一個嵌套的連接表，用于表達(dá)問題的狀態(tài)和操作過程

5、及其相互達(dá)問題的狀態(tài)和操作過程及其相互聯(lián)系。聯(lián)系。n框架系統(tǒng)的框架系統(tǒng)的嵌套式結(jié)構(gòu)嵌套式結(jié)構(gòu)便于表達(dá)不便于表達(dá)不同層次的知識。通過擴(kuò)充子框架，同層次的知識。通過擴(kuò)充子框架，可以進(jìn)一步描述問題的細(xì)節(jié)?？梢赃M(jìn)一步描述問題的細(xì)節(jié)。 3、框架表示法、框架表示法n框架的結(jié)構(gòu)框架的結(jié)構(gòu)（）（）（） （） ） （） （） ） ） （） ） ） ）4、“與或圖與或圖”表示法表示法n與或圖概念與或圖概念 與或圖是一種超圖，圖中用幾條超弧線連接與或圖是一種超圖，圖中用幾條超弧線連接一個父節(jié)點和它的一組后繼節(jié)點，加到一個一個父節(jié)點和它的一組后繼節(jié)點，加到一個節(jié)點上的節(jié)點上的“與與”或或“或或”標(biāo)記取決于該節(jié)點標(biāo)記取

6、決于該節(jié)點對其父節(jié)點的關(guān)系。對其父節(jié)點的關(guān)系。 ACBDEFH4、“與或圖與或圖”表示法表示法分解分解“與與”樹樹將復(fù)雜的大問題分解將復(fù)雜的大問題分解成一組簡單的小問題，成一組簡單的小問題，將總問題分解為子問將總問題分解為子問題。若所有子問題都題。若所有子問題都解決了，則總問題也解決了，則總問題也解決了。這是解決了。這是“與與”的邏輯關(guān)系。而子問的邏輯關(guān)系。而子問題又可以分為子子問題又可以分為子子問題，如此類推可以形題，如此類推可以形成問題分解的樹圖，成問題分解的樹圖，稱為稱為“與與”樹。樹。 總 問 題子 問 題 （ 簡 單 ）子 子 問 題 （ 更 簡 單 ）4、“與或圖與或圖”表示法表示

7、法變換變換“或或”樹樹將較難的問題變換為較將較難的問題變換為較易的等價問題。若一個易的等價問題。若一個較難問題可以等價變換較難問題可以等價變換為幾個容易問題，則任為幾個容易問題，則任何一個容易問題解決了，何一個容易問題解決了，也就解決了原有的難問也就解決了原有的難問題，這是題，這是“或或”的邏輯的邏輯關(guān)系。而這些容易問題關(guān)系。而這些容易問題還有可能變換為若干更還有可能變換為若干更容易的問題，如此下去，容易的問題，如此下去，可以形成問題變換的可以形成問題變換的“或或”樹。樹。 總問題等價問題（易）等價問題（更易）4、“與或圖與或圖”表示法表示法n與或圖構(gòu)成規(guī)則與或圖構(gòu)成規(guī)則 與或圖中的每個節(jié)點代

8、表一個要解決的與或圖中的每個節(jié)點代表一個要解決的單一問題或問題集合，圖中的起始節(jié)點對單一問題或問題集合，圖中的起始節(jié)點對應(yīng)總問題。應(yīng)總問題。對應(yīng)于本原問題的節(jié)點為葉節(jié)點，它沒對應(yīng)于本原問題的節(jié)點為葉節(jié)點，它沒有后裔。有后裔。對于把算符（與操作或操作）應(yīng)用于對于把算符（與操作或操作）應(yīng)用于問題問題 A的每種可能情況，都把問題變換為的每種可能情況，都把問題變換為一個子問題集合；有向弧線自一個子問題集合；有向弧線自A指向后繼指向后繼節(jié)點，表示所求得的子問題集合。節(jié)點，表示所求得的子問題集合。 2.3.4知識的獲取與表示知識的獲取與表示5 5、黑板模型結(jié)構(gòu)、黑板模型結(jié)構(gòu) 是一種功能較強(qiáng)的問題求解模型，

9、能處理是一種功能較強(qiáng)的問題求解模型，能處理大量不同表達(dá)的知識，并能提供組織，協(xié)大量不同表達(dá)的知識，并能提供組織，協(xié)調(diào)，應(yīng)用這些知識的手段。這種模型采用調(diào)，應(yīng)用這些知識的手段。這種模型采用機(jī)遇推理模型，把求解過程看作是一個產(chǎn)機(jī)遇推理模型，把求解過程看作是一個產(chǎn)生部分解并由部分解組合出一個滿意的解生部分解并由部分解組合出一個滿意的解的過程。黑板模型的主要優(yōu)點在于它在控的過程。黑板模型的主要優(yōu)點在于它在控制上的靈活性，并能綜合不同的知識表達(dá)制上的靈活性，并能綜合不同的知識表達(dá)和推理技術(shù)。和推理技術(shù)。 5 5、黑板模型結(jié)構(gòu)、黑板模型結(jié)構(gòu) 5 5、黑板模型結(jié)構(gòu)、黑板模型結(jié)構(gòu) n黑板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（簡稱黑板）黑

10、板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（簡稱黑板）它是全局性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它是全局性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。用于組織問題求解數(shù)據(jù)，處理知識源之間的用于組織問題求解數(shù)據(jù)，處理知識源之間的通信。通信。黑板模型可分為若干信息層，每一層用于描黑板模型可分為若干信息層，每一層用于描述關(guān)于問題的某一類信息。述關(guān)于問題的某一類信息。各個信息層之間形成一個松散的層次結(jié)構(gòu)，各個信息層之間形成一個松散的層次結(jié)構(gòu)，高層中的黑板元素可以近似地看成是這下一高層中的黑板元素可以近似地看成是這下一級若干個黑板元素的抽象。級若干個黑板元素的抽象。 5 5、黑板模型結(jié)構(gòu)、黑板模型結(jié)構(gòu) n知識源知識源問題求解所需的領(lǐng)域知識劃分為知識源。問題求解所需的領(lǐng)域知識劃分為知識源

11、。知識源可具有知識源可具有“條件一動作條件一動作”的形式。條件的形式。條件描述了知識源可用于求解的情形，動作則描描述了知識源可用于求解的情形，動作則描述了知識源的行為。述了知識源的行為。n控制單元控制單元由黑板監(jiān)督程序和調(diào)度程序組成，其作用就由黑板監(jiān)督程序和調(diào)度程序組成，其作用就是決定下一步需激活的知識源或需處理的黑是決定下一步需激活的知識源或需處理的黑板信息。板信息。 2.3.4知識的獲取與表示知識的獲取與表示6 6、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識表、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識表示示 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識表神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識表示可看作是一種隱示可看作是一種隱式表示，在這里知式表示，在這里知識并不像在產(chǎn)生式識并不像在產(chǎn)生式系統(tǒng)中那樣獨

12、立表系統(tǒng)中那樣獨立表示每一規(guī)則，而是示每一規(guī)則，而是將某一問題的若干將某一問題的若干知識在同一網(wǎng)絡(luò)中知識在同一網(wǎng)絡(luò)中表示。表示。 -1.0-1.5-2.0001.0041.1002.102-3.1211.0701.135x1x2y6、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識表示、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識表示n神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識表示的優(yōu)點：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識表示的優(yōu)點： 具有統(tǒng)一的內(nèi)部知識表示形式，通過學(xué)習(xí)程序具有統(tǒng)一的內(nèi)部知識表示形式，通過學(xué)習(xí)程序即可獲得網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)如分塊鄰接權(quán)矩陣、即可獲得網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)如分塊鄰接權(quán)矩陣、節(jié)點偏移向量等。任何知識規(guī)則都可變換成數(shù)節(jié)點偏移向量等。任何知識規(guī)則都可變換成數(shù)字形式，便于知識庫的組織和管理，通用性強(qiáng)

13、；字形式，便于知識庫的組織和管理，通用性強(qiáng)；便于實現(xiàn)知識的自動獲??；便于實現(xiàn)知識的自動獲??；利于實現(xiàn)并行聯(lián)想推理和自適應(yīng)推理；利于實現(xiàn)并行聯(lián)想推理和自適應(yīng)推理；能夠表示事物的復(fù)雜關(guān)系如模糊因果關(guān)系。能夠表示事物的復(fù)雜關(guān)系如模糊因果關(guān)系。2.3.5推理機(jī)制推理機(jī)制 n推理是指依據(jù)一定的原則從已有的事實推理是指依據(jù)一定的原則從已有的事實推出結(jié)論的過程，這個原則就是推理的核推出結(jié)論的過程，這個原則就是推理的核心。專家系統(tǒng)中的自動推理是知識推理。心。專家系統(tǒng)中的自動推理是知識推理。而知識推理是指在計算機(jī)或智能機(jī)器中，而知識推理是指在計算機(jī)或智能機(jī)器中，在知識表達(dá)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)器思維，求在知識表達(dá)的基

14、礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)器思維，求解問題，實現(xiàn)知識推理的智能操作過程。解問題，實現(xiàn)知識推理的智能操作過程。 n在專家系統(tǒng)中，可以依據(jù)專家所具有的在專家系統(tǒng)中，可以依據(jù)專家所具有的知識的特點來選擇知識表示的方法，而知知識的特點來選擇知識表示的方法，而知識推理技術(shù)同知識表示方法有密切關(guān)系。識推理技術(shù)同知識表示方法有密切關(guān)系。 推理方法的分類推理方法的分類 1、根據(jù)知識表示的特點，知識推理方法可分、根據(jù)知識表示的特點，知識推理方法可分為為圖搜索方法圖搜索方法和和邏輯論證方法邏輯論證方法兩類。兩類。2 2、根據(jù)問題求解的推理過程中是否運用啟發(fā)、根據(jù)問題求解的推理過程中是否運用啟發(fā)性知識，知識推理方法可分為性知識，

15、知識推理方法可分為啟發(fā)推理啟發(fā)推理和和非非啟發(fā)推理啟發(fā)推理兩類。兩類。 3 3、根據(jù)問題求解的推理過程中結(jié)論是否精確，、根據(jù)問題求解的推理過程中結(jié)論是否精確，知識推理方法可分為知識推理方法可分為精確推理精確推理和和不精確推理不精確推理兩類。兩類。 推理方法的分類推理方法的分類 4 4、根據(jù)問題求解的推理過程中特殊和一般的、根據(jù)問題求解的推理過程中特殊和一般的關(guān)系，知識推理方法可分為關(guān)系，知識推理方法可分為演繹推理演繹推理、歸納歸納推理推理兩類。兩類。 5 5、根據(jù)問題求解的推理過程中推理的方向，、根據(jù)問題求解的推理過程中推理的方向，知識推理方法可分為知識推理方法可分為正向推理正向推理、反向推理

16、反向推理和和正反向混合推理三類。正反向混合推理三類。 正向推理正向推理開始令I(lǐng)=1取出規(guī)則I的前提部分的事實在數(shù)據(jù)庫中嗎？I=K?取出規(guī)則I的結(jié)論部分的事實新事實嗎？令I(lǐng)=I+1結(jié)束將新事實加入數(shù)據(jù)庫中，記下規(guī)則IYESNOYESNOYESNO反向推理反向推理開始提出假設(shè)在數(shù)據(jù)庫中嗎？找出結(jié)論部分包含那些假設(shè)的規(guī)則有此事實嗎？新假設(shè)成立結(jié)束是證據(jù)節(jié)點嗎？YES還有假設(shè)嗎？NONO提問用戶NO以這些規(guī)則的前提之一作為新的假設(shè)記入數(shù)據(jù)庫中去YES還有假設(shè)嗎？結(jié)束NOYESNOYES寬度優(yōu)先搜索寬度優(yōu)先搜索 所謂所謂寬度優(yōu)先搜索寬度優(yōu)先搜索方法是按方法是按“最早產(chǎn)生的節(jié)最早產(chǎn)生的節(jié)點優(yōu)先擴(kuò)展點優(yōu)先擴(kuò)

17、展”的搜索方法。具體地說，搜索的搜索方法。具體地說，搜索的節(jié)點是一層一層地檢查的，只有在上一層的節(jié)點是一層一層地檢查的，只有在上一層的每一個節(jié)點都檢查完畢之后，這一層的節(jié)的每一個節(jié)點都檢查完畢之后，這一層的節(jié)點才能開始檢查，也就是說，節(jié)點的擴(kuò)展是點才能開始檢查，也就是說，節(jié)點的擴(kuò)展是按它們接近起始節(jié)點的程度依次進(jìn)行的。這按它們接近起始節(jié)點的程度依次進(jìn)行的。這種方法是考慮了每一種可能，所以這種搜索種方法是考慮了每一種可能，所以這種搜索可能是一種非常長的過程，但如果存在任何可能是一種非常長的過程，但如果存在任何解答的話，它能保證最終找到最短的解答序解答的話，它能保證最終找到最短的解答序列。列。 寬

18、度優(yōu)先搜索寬度優(yōu)先搜索 開始把S放入OPEN表OPEN表是否為空？失敗把OPEN表的第一個節(jié)點n移出，并放入CLOSED表擴(kuò)展n，將其后節(jié)點放入OPEN表末端，提供回到n的指針在后繼節(jié)點中是否有目標(biāo)節(jié)點？成功YESNONOYES深度優(yōu)先搜索深度優(yōu)先搜索 所謂所謂深度優(yōu)先搜索深度優(yōu)先搜索方方法就是按法就是按“最晚產(chǎn)生最晚產(chǎn)生（最深的）節(jié)點優(yōu)先（最深的）節(jié)點優(yōu)先擴(kuò)展擴(kuò)展”的搜索方法，的搜索方法，深度相等的節(jié)點其順深度相等的節(jié)點其順序可以任意排列。也序可以任意排列。也就是總是向親代到子就是總是向親代到子代方向進(jìn)行，直到不代方向進(jìn)行，直到不得不返回追蹤的搜索。得不返回追蹤的搜索。然而實際上，從樹的然而實際上，從樹的觀點看，不是從左枝觀點看，不是從左枝開始，就是從右枝開開始，就是從右枝開始。始。 不精確推理不精確推理 專家系統(tǒng)中把領(lǐng)域知識表示成必然的因果關(guān)系、專家系統(tǒng)中把領(lǐng)域知識表示成必然的因果關(guān)系、邏輯關(guān)系，推理的結(jié)論是肯定的，這種推理稱為邏輯關(guān)系，推理的結(jié)論是肯定的，這種推理稱為精確推理。除此以外，更重要的是以專家的經(jīng)驗精確推理。除此以外，更重要的是以專家的經(jīng)驗知識對不確定的事實，根據(jù)不充分的證據(jù)和不完知識對不確定的事實，根據(jù)不充分的證據(jù)和不完全的知識進(jìn)行推理，這種推理稱為不精確推理。全的知識進(jìn)行推理，這種推理稱為不精確推理。應(yīng)該指出，所謂不精確推理不是要使