人工智能：第7章 專家系統(tǒng)

1、2022/7/201 第7章 專家系統(tǒng) 2022/7/202第7章 專家系統(tǒng) 7.1 專家系統(tǒng)概述 7.2 專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理 7.3 專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示 7.4 專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造 7.5 專家系統(tǒng)的評(píng)價(jià) 7.6 專家系統(tǒng)的開發(fā)工具 7.7 分布式專家系統(tǒng)與協(xié)同式專家系統(tǒng) 7.8 專家系統(tǒng)舉例 2022/7/203 7.1 專家系統(tǒng)概述 迄今為止，關(guān)于什么是專家系統(tǒng)，目前尚無一個(gè)十分確切的定義。其一般公認(rèn)定義：專家系統(tǒng)是一個(gè)具有智能的程序系統(tǒng)，其內(nèi)部具有大量的專家水平的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)；該系統(tǒng)能利用專家的知識(shí)與推理方法來解決專門領(lǐng)域的問題；它能對(duì)自身所得出的結(jié)論做出清楚、明晰、合理的解釋

2、。簡(jiǎn)單地說，能夠向用戶提供關(guān)于某一領(lǐng)域中專家水平的決策與解釋的智能模擬系統(tǒng)，稱為專家系統(tǒng)。 專家系統(tǒng)作為專家的功能主要是應(yīng)用了人工智能領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。 7.1.1 什么是專家系統(tǒng)？2022/7/204現(xiàn)實(shí)中有許多問題，都要依靠專門領(lǐng)域的專家來解決。專家對(duì)問題的推理和決策，除了依據(jù)他們的學(xué)識(shí)外，還要取決于個(gè)人實(shí)踐經(jīng)歷中積累的經(jīng)驗(yàn)和練就的直覺方法。其中，包括一些不確定的知識(shí)，從而以專家的決斷，對(duì)問題給出權(quán)威的解答。 一個(gè)專家系統(tǒng)必須滿足的基本條件是： 專家系統(tǒng)處理的是現(xiàn)實(shí)世界中原本應(yīng)由專家分析和判斷的復(fù)雜問題； 專家系統(tǒng)解決問題的模型和方案來自于專家的經(jīng)驗(yàn)和推理方法；專家系統(tǒng)應(yīng)該得到和專家一致的判

3、斷結(jié)論與決策。本質(zhì)上，專家系統(tǒng)只是一個(gè)高級(jí)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)。 7.1.1 什么是專家系統(tǒng)？2022/7/205專家系統(tǒng)（Expert System)亦稱專家咨詢系統(tǒng)，它是一種智能計(jì)算機(jī)(軟件)系統(tǒng)。顧名思義，專家系統(tǒng)就是能像人類專家一樣解決困難、復(fù)雜的實(shí)際問題的計(jì)算機(jī)(軟件)系統(tǒng)。 對(duì)比專家，則專家系統(tǒng)也應(yīng)具備以下四個(gè)要素： (1) 應(yīng)用于某專門領(lǐng)域； (2) 擁有專家級(jí)知識(shí)； (3) 能模擬專家的思維； (4) 能達(dá)到專家級(jí)水平。 7.1.1 什么是專家系統(tǒng)？ 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/206 同一般的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)（如數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等）相比，專家系統(tǒng)具有下列性能： (1

4、)具有高性能?，F(xiàn)實(shí)世界中，以數(shù)學(xué)化公式為核心的知識(shí)僅約占8%，大部分問題都是非數(shù)學(xué)化的知識(shí)。專家系統(tǒng)善于解決那些不確定性的、非結(jié)構(gòu)化的、沒有算法解或雖有算法解但在現(xiàn)有的機(jī)器上無法實(shí)施的高難問題。 7.1.2 專家系統(tǒng)的性能 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/207(2)具有知識(shí)與實(shí)用性。 從處理問題的方法看，專家系統(tǒng)則是靠知識(shí)和推理來解決問題（不像傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)使用固定的算法來解決問題），所以，專家系統(tǒng)是基于知識(shí)的智能問題求解系統(tǒng)。其次， 許多經(jīng)典的人工智能程序往往是從純學(xué)術(shù)技術(shù)目的出發(fā)研制的一種實(shí)驗(yàn)性研究工具，而專家系統(tǒng)解決的是人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及其它領(lǐng)域的實(shí)際問題，更多地強(qiáng)

5、調(diào)實(shí)用。7.1.2 專家系統(tǒng)的性能 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/208(3)具有靈活性及可擴(kuò)充性。 從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，專家系統(tǒng)則強(qiáng)調(diào)知識(shí)與推理的分離，因而系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴(kuò)充性。其靈活性還表現(xiàn)為：由于知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)分離，使人們可把一個(gè)技術(shù)上成熟的專家系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)專家系統(tǒng)工具，即只要抽去知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)就可使它變?yōu)橐粋€(gè)專家系統(tǒng)外殼。當(dāng)要建立另外一個(gè)其功能與之類似的專家系統(tǒng)時(shí)，只要把相應(yīng)的知識(shí)裝入到該外殼的知識(shí)庫(kù)中就可以了。這就節(jié)省了耗時(shí)費(fèi)工的開發(fā)工作。事實(shí)上，目前有一些專家系統(tǒng)開發(fā)工具就是這樣得來的。例如，由專家系統(tǒng)MYCIN得到的構(gòu)造工具EMYCIN；由PROSPECTOR得到的E

6、S外殼KAS等。7.1.2 專家系統(tǒng)的性能2022/7/209(4)具有透明性。專家系統(tǒng)必須具有解釋功能，能回答用戶提出的問題，向用戶解釋它的決策動(dòng)機(jī)和結(jié)論的推理過程，使用戶能清楚地了解系統(tǒng)處理問題正確性，通過增強(qiáng)系統(tǒng)的透明度而取信于用戶。例如，一個(gè)醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)診斷某病人患有肺炎，而且必須用某種抗生素治療，那么，這一專家系統(tǒng)應(yīng)向病人解釋為什么判斷他患有肺炎，解釋用該抗生素治療的原因，就像一位醫(yī)療專家對(duì)病人詳細(xì)解釋病情一樣。7.1.2 專家系統(tǒng)的性能 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2010(5)具有自學(xué)習(xí)及自修正能力。有些專家系統(tǒng)還具有“自學(xué)習(xí)”能力，即不斷對(duì)自己的知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)充、完善和提

7、煉。專家系統(tǒng)還能隨時(shí)修正已有的知識(shí)或歸納出新的知識(shí)，適應(yīng)新情況的需要，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)系統(tǒng)所無法比擬的。(6)具有專業(yè)和長(zhǎng)效性。專家系統(tǒng)大量使用的是專家級(jí)水平的專門領(lǐng)域所謂“深知識(shí)”來決策，而不是一般系統(tǒng)那樣多使用常識(shí)性知識(shí)，即所謂“淺知識(shí)”；專家系統(tǒng)不像人那樣容易疲勞、遺忘，易受環(huán)境、情緒等的影響，它可始終如一地以專家級(jí)的高水平求解問題。 7.1.2 專家系統(tǒng)的性能2022/7/2011 7.1.3 專家系統(tǒng)的特點(diǎn)與研究意義比較方面?zhèn)?統(tǒng) 程 序?qū)?家 系 統(tǒng)編程思想編程方法處理對(duì)象執(zhí)行過程可修改性操作解釋結(jié) 論依據(jù)某一算法知識(shí)使用和知識(shí)本身混合在一起數(shù)值量順序方式或批處理方式執(zhí)行難修改，需改動(dòng)

8、整個(gè)程序并重新編譯不能正確，不容許不確定性依據(jù)啟發(fā)式方式知識(shí)和知識(shí)的使用分離符號(hào)量人機(jī)交互方式執(zhí)行易修改，只需改動(dòng)知識(shí)庫(kù)可能滿意，容許不確定性表7-1 專家系統(tǒng)特點(diǎn)及與傳統(tǒng)程序的區(qū)別 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2012 研究專家系統(tǒng)的意義還在于:專家系統(tǒng)不像人那樣容易疲勞、遺忘，易受環(huán)境、情緒的影響，它可始終如一地以專家級(jí)的高水平求解問題。因此，從這個(gè)意義上講，專家系統(tǒng)可以超過專家本人。專家系統(tǒng)便于保存和大面積推廣各種專家的寶貴知識(shí)，更有效地發(fā)揮各種專業(yè)人才的作用，克服人類專家供不應(yīng)求的矛盾。專家系統(tǒng)還可以綜合許多專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，從而博采眾長(zhǎng)。專家系統(tǒng)作為一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，便于發(fā)揮計(jì)算

9、機(jī)快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，在某些方面比專家更可靠、更靈活，可以不受時(shí)間、地域及人為因素的影響。另外，由于專家系統(tǒng)具有解釋功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和領(lǐng)域?qū)＜揖涂煞奖愕卣页鱿到y(tǒng)隱含的錯(cuò)誤，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。 7.1.3 專家系統(tǒng)的特點(diǎn)與研究意義 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2013 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、決策型、設(shè)計(jì)型、規(guī)劃型、控制型、調(diào)度型等幾種類型。 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。 7.1.4 專家系統(tǒng)的分類 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2014 3.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

10、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)）。 順便指出，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”（Knowledge Engineering）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。 4.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)。前面講的內(nèi)容均為基于符號(hào)推理7.1.4 專家系統(tǒng)的分類2022/7/2015 5.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)。 6.按結(jié)構(gòu)分類 按結(jié)構(gòu)分類

11、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))。 7.1.4 專家系統(tǒng)的分類 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/20161. 專家系統(tǒng)與知識(shí)系統(tǒng) 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)。 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)（Knowledge Based System)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)。7.1.5 專家系統(tǒng)與知識(shí)工程 7.1 專家系統(tǒng)概述202

12、2/7/2017 2. 專家系統(tǒng)與知識(shí)工程 由于專家系統(tǒng)是基于知識(shí)的系統(tǒng)，那么，建造專家系統(tǒng)就涉及到： （1）知識(shí)獲?。簭娜祟悓＜夷抢锘驈膶?shí)際問題搜集、整理、歸納專家級(jí)知識(shí) （2）知識(shí)表示：以某種結(jié)構(gòu)形式表達(dá)所獲取的知識(shí)，并將其存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)之中 （3）知識(shí)的組織與管理：知識(shí)庫(kù)建立與維護(hù)等 （4）知識(shí)的利用：使用知識(shí)進(jìn)行推理等一系列關(guān)于知識(shí)處理的技術(shù)和方法。 7.1.5 專家系統(tǒng)與知識(shí)工程 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2018 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”（Knowledge Engineering）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

13、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。7.1.5 專家系統(tǒng)與知識(shí)工程 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2019 BACON3系統(tǒng)功能介紹：由一位美國(guó)學(xué)者P.W. Langley (蘭利)于1979年在Carnegie Mellon (卡內(nèi)基-梅隆)大學(xué)提出的一個(gè)關(guān)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)發(fā)現(xiàn)物理學(xué)中經(jīng)驗(yàn)性定理的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，并以英國(guó)16世紀(jì)著名思想家和科學(xué)家培根命名。假設(shè)對(duì)應(yīng)一組系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù) X=XK 得到一批輸出數(shù)據(jù) Y=YKI,K,I=1,2, 這批數(shù)據(jù)記錄真實(shí)、齊全，但數(shù)據(jù)排列順序被破壞了。如何分析呢？ 7.1

14、.6一個(gè)關(guān)于專家系統(tǒng)的事例 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2020由于這批數(shù)據(jù)記錄真實(shí)、齊全，只是數(shù)據(jù)排列順序被破壞了，因此，首先應(yīng)恢復(fù)數(shù)據(jù)排列順序，再進(jìn)行系統(tǒng)分析：（1）將輸入、輸出數(shù)據(jù)分為兩組，各自按單調(diào)排列；（2）確定對(duì)應(yīng)輸入與輸出間的數(shù)據(jù)乘積，或比值，或某次方根，等數(shù)學(xué)關(guān)系為一恒值常數(shù)；或引進(jìn)新的變量，繼續(xù)上述研究過程；（3）若確定對(duì)應(yīng)輸入輸出間的數(shù)據(jù)的某數(shù)學(xué)關(guān)系為一恒值常數(shù)，則結(jié)合數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)生的原始環(huán)境，分析該常數(shù)的物理意義，從而總結(jié)出一般規(guī)律。 7.1.6一個(gè)關(guān)于專家系統(tǒng)的事例 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2021按照這種思路和數(shù)學(xué)模型，人們很容易獲得關(guān)于物理學(xué)的很多定律

15、。諸如： f=ma; S=vt U=RI Q=CU F=kX E=Mc2 P=F/S2 ( PxVx)/Tx= ( P0V0)/T0=R(常數(shù)) 等 7.1.6一個(gè)關(guān)于專家系統(tǒng)的事例 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2022按照這種思路和數(shù)學(xué)模型，人們很容易獲得關(guān)于物理學(xué)的很多定律。諸如它能重新發(fā)現(xiàn)波義耳定律、歐姆定律、牛頓萬有引力定律和開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律等。例如：如果給程序提供一系列氣體體積隨溫度、壓力變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)經(jīng)過學(xué)習(xí)概括和歸納推理，可以得出理想氣體的波義耳定律。BACON系統(tǒng)的思想是利用一些算子反復(fù)構(gòu)造一些新的項(xiàng)，當(dāng)這些項(xiàng)中有一個(gè)是常數(shù)時(shí)，就得到概念“項(xiàng)=常數(shù)”。 7.1.6

16、一個(gè)關(guān)于專家系統(tǒng)的事例 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2023例如，對(duì)開普勒定律：行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)周期為p與行星到太陽(yáng)的距離d有關(guān)，即有公式： R = d3/p2其中R為常數(shù)。計(jì)算過程如表8-2所示。 BACON3程序成功地模擬了人類發(fā)現(xiàn)物理學(xué)上一些經(jīng)驗(yàn)性的簡(jiǎn)單定律，幫助人們概括出了物理實(shí)驗(yàn)中的一種客觀規(guī)律。 進(jìn)一步發(fā)展推廣， BACON3甚至稍加改進(jìn)，還可用于非線性系統(tǒng)的研究上。因此，對(duì)于這項(xiàng)成果，學(xué)者們?cè)?jīng)給以很高評(píng)價(jià)，認(rèn)為可能拋磚引玉，導(dǎo)致歸納機(jī)的誕生。 7.1.6一個(gè)關(guān)于專家系統(tǒng)的事例 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2024由上表，對(duì)開普勒定律公式 R = d3/p2 發(fā)現(xiàn)過程為

17、： p和d都是遞增，并且非線性互相依賴，觸發(fā)建立新項(xiàng)d/p的算子。 d和d/p的遞增方向剛好相反，觸發(fā)建立新項(xiàng)（d/p）d=d2/p的算子。 d/p和d2/p的遞增方向剛好相反，觸發(fā)建立新項(xiàng)（d/p）d2/p= d3/p2的算子。項(xiàng)d3/p2是常數(shù)，則得到行星運(yùn)動(dòng)定律。 7.1.6一個(gè)關(guān)于專家系統(tǒng)的事例行星pDd/pd2/pd3/p2Mercury11101010Venus84052010Earth2790333010表8-2 行星運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)現(xiàn) 2022/7/2025.解釋型專家系統(tǒng)（expert system for interpretation）通過對(duì)已知信息和數(shù)據(jù)的分析，確定并解釋其涵

18、義。解釋型專家系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量很大，而且往往是不準(zhǔn)確的、有錯(cuò)誤的或不完全的。 系統(tǒng)能夠從不完全的信息中得出解釋，并能對(duì)數(shù)據(jù)做出某些假設(shè)。 系統(tǒng)的推理過程可能很復(fù)雜和很長(zhǎng)，因而要求系統(tǒng)具有對(duì)自身的推理過程做出解釋的能力。例如解釋圖像分析，解釋地質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析系統(tǒng)等。著名的地質(zhì)勘探咨詢的專家系統(tǒng)PROSPECTOR就是其中一例。 7.1.7專家系統(tǒng)的類型 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2026.預(yù)測(cè)型專家系統(tǒng)（expert system for prediction）這是根據(jù)現(xiàn)狀預(yù)測(cè)未來可能發(fā)生的情況的專家系統(tǒng)。諸如應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)、地震災(zāi)害預(yù)測(cè)、人口預(yù)測(cè)、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)量

19、估計(jì)及水文、經(jīng)濟(jì)、軍事形勢(shì)預(yù)測(cè)等方面。其特點(diǎn)為： 系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化，而且可能是不準(zhǔn)確和不完全的。 系統(tǒng)需要有適應(yīng)時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)模型，能夠從不完全和不準(zhǔn)確的信息中，得出預(yù)報(bào)，并達(dá)到要求的時(shí)效性。如臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)TYT專家系統(tǒng)就是一例。 7.1.7專家系統(tǒng)的類型 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2027.診斷型專家系統(tǒng)（expert system for diagnosis）根據(jù)診斷對(duì)象的表征現(xiàn)象，例如病人的臨床癥狀，機(jī)器故障的聲光現(xiàn)象等，推斷出該對(duì)象機(jī)能失常或發(fā)生故障的原因。診斷專家系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)： 能夠了解被診斷對(duì)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

20、蓋的另一種現(xiàn)象。 能夠向用戶提出測(cè)量的數(shù)據(jù)，并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷。如著名的MYCIN系統(tǒng)，就能對(duì)傳染性疾病做出專家水平的診斷和治療選擇。 7.1.7專家系統(tǒng)的類型 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2028.設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)（expert system for design）這是一種根據(jù)任務(wù)要求，計(jì)算出滿足設(shè)計(jì)問題約束的目標(biāo)配置的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)應(yīng)具有下列特點(diǎn)： 善于從多方面的約束中得到符合要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。 系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間。 善于分析各種問題，并處理好子問題間的相互關(guān)系。 能夠試驗(yàn)性地構(gòu)造出可能設(shè)計(jì)，并易于對(duì)所得設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。 能夠使用已被證明是正確的設(shè)計(jì)來

21、解釋當(dāng)前的新設(shè)計(jì)。例如，DAC公司用來幫助用戶提出最佳計(jì)算機(jī)配置方案的R1系統(tǒng)。 7.1.7專家系統(tǒng)的類型 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2029.規(guī)劃型專家系統(tǒng)（expert system for planning） 規(guī)劃型專家系統(tǒng)用來制訂行動(dòng)規(guī)劃一類專家系統(tǒng)。諸如機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃、制訂生產(chǎn)規(guī)劃等。其具體特點(diǎn)有： 所要規(guī)劃的目標(biāo)可能是動(dòng)態(tài)的或靜態(tài)的，因而需要對(duì)未來動(dòng)作做出預(yù)測(cè)。 所涉及的問題可能很復(fù)雜，要求系統(tǒng)能夠抓住重點(diǎn)，處理好各子目標(biāo)之間的關(guān)系和不確定的數(shù)據(jù)信息，并通過實(shí)驗(yàn)性動(dòng)作得出可行規(guī)劃。 7.1.7專家系統(tǒng)的類型 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2030.監(jiān)視型專家系統(tǒng)（exp

22、ert system for monitoring） 這是用來對(duì)某些行為、狀況進(jìn)行監(jiān)視，并與其正常情況進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常發(fā)出告警或進(jìn)行干預(yù)的系統(tǒng)。如森林火警監(jiān)視、機(jī)場(chǎng)監(jiān)視等。監(jiān)視專家系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)： 系統(tǒng)應(yīng)具有快速反應(yīng)能力，在造成事故之前及時(shí)發(fā)出警報(bào)。 系統(tǒng)發(fā)出的警報(bào)要有很高的準(zhǔn)確性。在需要發(fā)出警報(bào)時(shí)發(fā)警報(bào)，在不需要發(fā)出警報(bào)時(shí)不得輕易發(fā)警報(bào)（假警報(bào)）。 系統(tǒng)能夠隨時(shí)間和條件的變化而動(dòng)態(tài)地處理其輸入信息。 7.1.7專家系統(tǒng)的類型 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2031.控制型專家系統(tǒng)（expert system for control） 用以自適應(yīng)地管理受控對(duì)象，使之滿足預(yù)期要求的系統(tǒng)

23、。其特點(diǎn)為：能夠解釋當(dāng)前情況，預(yù)測(cè)未來可能發(fā)生的情況；診斷可能發(fā)生的問題及其原因，不斷修正計(jì)劃，控制系統(tǒng)的運(yùn)行。控制型專家系統(tǒng)具有解釋、預(yù)報(bào)、診斷、規(guī)劃和執(zhí)行等功能。.調(diào)試型專家系統(tǒng)（expert system for debugging） 調(diào)試型專家系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)失靈的對(duì)象給出處理意見和方法。調(diào)試專家系統(tǒng)的特點(diǎn)是同時(shí)具有規(guī)劃、設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)和診斷等專家系統(tǒng)的功能。 7.1.7專家系統(tǒng)的類型 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2032.教學(xué)型專家系統(tǒng)（expert system for instruction） 教學(xué)型專家系統(tǒng)能根據(jù)學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)掌握情況、性情特點(diǎn)等，以最適當(dāng)?shù)慕贪负徒虒W(xué)方法對(duì)學(xué)生進(jìn)

24、行教學(xué)和輔導(dǎo)。教學(xué)專家系統(tǒng)的特點(diǎn)為： 同時(shí)具有診斷和調(diào)試等功能。 具有良好的人機(jī)界面。.維護(hù)型專家系統(tǒng)（expert system for repair）系統(tǒng)能對(duì)發(fā)生故障的對(duì)象（系統(tǒng)或設(shè)備）進(jìn)行處理，使其恢復(fù)正常工作。該類型專家系統(tǒng)應(yīng)具有診斷、調(diào)試、計(jì)劃和執(zhí)行等功能。 7.1.7專家系統(tǒng)的類型 7.1 專家系統(tǒng)概述2022/7/2033 7.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 7.專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理人 機(jī) 接 口推理機(jī)解釋器知識(shí)獲取知識(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)黑 板圖7-A 專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 知識(shí)庫(kù)推理機(jī)輸入或提問答案專家知識(shí) 圖7- 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 用戶 專家/知識(shí)工程師 2022/7/2034圖73B 專家系

25、統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 7.專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理2022/7/2035專家系統(tǒng)須滿足的基本功能（共六大功能）: 存儲(chǔ)問題求解所需的專家知識(shí); 存儲(chǔ)具體領(lǐng)域內(nèi)的初始數(shù)據(jù)和推理過程中所涉及到的各種信息如中間結(jié)果、目標(biāo)、子目標(biāo)、條件、假設(shè)等等。 根據(jù)當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)，利用已有的知識(shí)，按照一定的推理策略，去解決當(dāng)前問題，并能控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)。 能對(duì)推理過程、結(jié)論或系統(tǒng)自身做出必要的解釋如解題步驟、處理策略、選擇處理方法、求解某種問題的能力、系統(tǒng)如何組織和管理其自身知識(shí)等。這樣既便于用戶的理解和接受，同時(shí)也便于系統(tǒng)的維護(hù)。 7.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2022/7/2036 提供知識(shí)獲取、機(jī)器學(xué)習(xí)、修改、擴(kuò)充和完善

26、等其它維護(hù)手段。這樣才能更有效地提高系統(tǒng)的問題求解能力及準(zhǔn)確性。 提供一種人機(jī)接口，能分析、理解用戶的各種請(qǐng)求。 其中，存放知識(shí)和使用知識(shí)是專家系統(tǒng)的兩個(gè)基本功能，用于實(shí)現(xiàn)該功能的知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)成了專家系統(tǒng)的兩個(gè)核心部件，如圖7-2所示?；谝?guī)則的專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7-3所示，一般包括知識(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)、黑板、人機(jī)接口、解釋器和知識(shí)獲取機(jī)等六部分。 7.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2022/7/2037 7.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)人 機(jī) 接 口推理機(jī)解釋器知識(shí)獲取知識(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)黑 板圖7-A 專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 知識(shí)庫(kù)推理機(jī)輸入或提問答案專家知識(shí) 圖7- 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 用戶 專家/知識(shí)工程師 202

27、2/7/2038知識(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)：包括專家知識(shí)庫(kù)和事實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分，存儲(chǔ)著求解領(lǐng)域中問題所需的專家知識(shí)及數(shù)據(jù)，它是專家系統(tǒng)的組成基礎(chǔ)。主要用途：用于存放相關(guān)領(lǐng)域或問題的初始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)論等。它能對(duì)知識(shí)和全局?jǐn)?shù)據(jù)施行存儲(chǔ)、管理，并以規(guī)則形式表達(dá)專家級(jí)知識(shí)。一類是領(lǐng)域中的定義、事實(shí)和理論等，通常收錄于相關(guān)學(xué)術(shù)著作和教科書中；另一類是專家個(gè)人在工作經(jīng)歷中所獲得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等。這使得專家們?cè)阱e(cuò)綜復(fù)雜關(guān)鍵時(shí)刻，能臨機(jī)決斷，做出正確決策。特性： 它可被所有的規(guī)則訪問； 規(guī)則之間的聯(lián)系只有通過數(shù)據(jù)庫(kù)才能發(fā)生。 7.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2022/7/2039推理機(jī)：推理機(jī)實(shí)際上就是一組計(jì)算機(jī)程序，它是專家系

28、統(tǒng)的“思維”機(jī)構(gòu)，是構(gòu)成專家系統(tǒng)的核心部分。主要功能：協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)，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(kù)中的知識(shí)，按一定的推理方法和控制策略進(jìn)行推理，求得問題的答案或證明某個(gè)假設(shè)的正確性?？傊?，知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)成了一個(gè)專家系統(tǒng)的基本框架。同時(shí)，這兩部分又是相輔相成、密切相關(guān)的。因?yàn)椴煌闹R(shí)表示有不同的推理方式，所以，推理機(jī)的推理方式和工作效率不僅與推理機(jī)本身的算法有關(guān)，還與知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)以及知識(shí)庫(kù)的組織有關(guān)。 7.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2022/7/2040黑板： 顧名思義，黑板是一種可讀、可刷新重寫的裝置，用于描述記錄專家系統(tǒng)的中間推理過程、數(shù)

29、據(jù)的變換與演算，又稱為暫存器。許多專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把黑板并入數(shù)據(jù)庫(kù)中，但它只是系統(tǒng)運(yùn)行中間的一些動(dòng)態(tài)信息的集合，是系統(tǒng)運(yùn)行期間產(chǎn)生和變化的，因此，它只是數(shù)據(jù)庫(kù)中“動(dòng)態(tài)”變化的那一部分。有了黑板，便于進(jìn)行系統(tǒng)跟蹤、調(diào)試與解釋。 7.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2022/7/2041解釋模塊（解釋器）： 這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)透明性的重要模塊。它負(fù)責(zé)回答用戶提出的各種問題，解釋系統(tǒng)的推理過程，使系統(tǒng)向用戶透明。 解釋程序模塊由一組程序構(gòu)成，它是專家系統(tǒng)區(qū)別于一般程序的重要特征之一。它可對(duì)推理路線和提問的含義給出必要的清晰的解釋，使用戶了解推理過程；并能跟蹤并記錄推理過程，也為系統(tǒng)維護(hù)提供了方便的手段。 7.專家系統(tǒng)的一般

30、結(jié)構(gòu)2022/7/2042知識(shí)獲取模塊： 這是專家系統(tǒng)中能將某專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的事實(shí)性知識(shí)和領(lǐng)域?qū)＜宜赜械慕?jīng)驗(yàn)性知識(shí)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可利用的形式并送入知識(shí)庫(kù)的功能模塊。同時(shí)也負(fù)責(zé)知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的修改、刪除和更新，并對(duì)知識(shí)庫(kù)的完整性和一致性進(jìn)行維護(hù)。知識(shí)獲取模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈活性的主要部分，它使領(lǐng)域?qū)＜铱梢孕薷闹R(shí)庫(kù)而不必了解知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的表示方法、知識(shí)庫(kù)的組織結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)問題，這大大地提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)充性。 7.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2022/7/2043人機(jī)接口： 人機(jī)接口負(fù)責(zé)把領(lǐng)域?qū)＜摇⒅R(shí)工程師或一般用戶輸入的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式，然后把這些內(nèi)部表示交給相應(yīng)的模塊去處理。系統(tǒng)輸出的內(nèi)部

31、信息也由人機(jī)接口轉(zhuǎn)換成用戶易于理解的外部表示形式顯示給用戶。 7.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2022/7/2044求解過程大致有如下幾個(gè)步驟： 根據(jù)用戶的問題對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行搜索，尋找有關(guān)的知識(shí)。 根據(jù)有關(guān)的知識(shí)和系統(tǒng)的控制策略形成解決問題的途徑，即知識(shí)操作算子序列，從而構(gòu)成一個(gè)假設(shè)集合。 對(duì)解決問題的一組可能假設(shè)方案進(jìn)行排序，并挑選其中在某些準(zhǔn)則下為最優(yōu)的假設(shè)方案。 根據(jù)挑選的解決問題的假設(shè)方案去求解具體問題。 如果該方案不能真正解決問題，則回溯到假設(shè)方案序列中的下一個(gè)假設(shè)方案，重復(fù)求解問題。 上述過程循環(huán)執(zhí)行，直到問題已經(jīng)解決或所有可能的求解方案都不能解決問題而宣告“本系統(tǒng)該問題無解”為止。 7.專家

32、系統(tǒng)的工作原理2022/7/2045 7.專家系統(tǒng)的工作原理上述過程可用教材中圖7-3來描述。Y Y 目標(biāo)問題分析根據(jù)目標(biāo)問題集聚知識(shí)形成解決問題的假設(shè)方案集選擇最優(yōu)方案執(zhí)行之對(duì)假設(shè)方案集進(jìn)行排序知識(shí)庫(kù)問題已解決？選擇下一個(gè)方案并執(zhí)行還有其它方案？成功結(jié)束失敗結(jié)束N N 2022/7/2046 上面介紹的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是專家系統(tǒng)的概念模型，或者說是只強(qiáng)調(diào)知識(shí)和推理這一主要特征的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但專家系統(tǒng)終究仍是一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。所以，它與其它應(yīng)用系統(tǒng)一樣是解決實(shí)際問題的。而實(shí)際問題往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的，比如，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(shí)庫(kù)也可能是多塊或多層的。 7.3專家系

33、統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)2022/7/2047 專家系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)示例 總 控處理模塊1專家模塊1專家模塊m處理模塊n2022/7/2048地質(zhì)圖件繪制智能輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2022/7/2049 網(wǎng)絡(luò)與分布式結(jié)構(gòu) 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，專家系統(tǒng)也可以設(shè)計(jì)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如“客戶機(jī)/服務(wù)器”(Client/Server)結(jié)構(gòu)（如圖85(a)所示），或?yàn)g覽器/服務(wù)器(Browser/Server)結(jié)構(gòu)(如圖8-5(b)所示)。我們稱后一種結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)為網(wǎng)上專家系統(tǒng)。 分布式結(jié)構(gòu)則是一種適合于分布式計(jì)算環(huán)境的專家系統(tǒng)。例如那些多學(xué)科、多專家聯(lián)合作業(yè)，協(xié)同解題的大型專家系統(tǒng)，就可以設(shè)計(jì)成分布式結(jié)構(gòu)。這類專家系統(tǒng)也就稱為分布式

34、專家系統(tǒng)。 7.3專家系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)2022/7/2050 專家系統(tǒng)的客戶(機(jī))/服務(wù)器結(jié)構(gòu)及瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu) 知識(shí)庫(kù)推理機(jī)推理機(jī)知識(shí)庫(kù)人機(jī)界面人機(jī)界面客戶（機(jī)） Browser服務(wù)器 Web ServerInternet 7.3專家系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)2022/7/2051 7.專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示為了針對(duì)指定的符號(hào)串產(chǎn)生替換運(yùn)算，美國(guó)數(shù)學(xué)家Post于1943年首次提出產(chǎn)生式系統(tǒng)(Production System)概念；后來，學(xué)者們又依據(jù)這種按指定方式產(chǎn)生輸出符號(hào)的思想，構(gòu)造了POST自動(dòng)機(jī)，明確地提出了一種用“規(guī)則”進(jìn)行信息加工的系統(tǒng)模型。隨后，產(chǎn)生式不斷發(fā)展。Markov提出了產(chǎn)生式系統(tǒng)的

35、控制策略；Chomskey提出了文法分層概念和類似產(chǎn)生式生成的語言重寫規(guī)則；在此基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)界學(xué)者成功地構(gòu)造了ALGOL60高級(jí)計(jì)算機(jī)語言；20世紀(jì)七十年代，Newell 和Simon等學(xué)者在對(duì)人類認(rèn)知模型研究中，開發(fā)了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)等。從此，產(chǎn)生式知識(shí)表示在人工智能中得到廣泛的應(yīng)用，尤其Feigenbaum等人運(yùn)用產(chǎn)生式知識(shí)表示，成功構(gòu)造了專家系統(tǒng)，取得了許多卓越的成就，推動(dòng)了人工智能發(fā)展。 7.產(chǎn)生式的提出2022/7/2052 7.專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式知識(shí)表示與人們很多的思維習(xí)性十分吻合。例如，自然界中廣泛使用的各種因果關(guān)系，還有人們關(guān)于判斷的思維方式等，都可以歸納為諸如：

36、 “條件結(jié)論”或“原因結(jié)果”、 “前提操作”、 “情況行為”等結(jié)構(gòu)，它們都是產(chǎn)生式的知識(shí)表達(dá)形式。例如： 天下雨，地上濕。（“原因結(jié)果”結(jié)構(gòu)） 如果把冰加熱到0o以上，冰就會(huì)溶化為水。（“條件結(jié)論”結(jié)構(gòu)）“夜來風(fēng)雨聲，花落知多少。”（事實(shí)及其進(jìn)展結(jié)構(gòu)） 若能找到一根合適的杠桿，就能撬起那座大山。（“前提操作” ） “才飲長(zhǎng)沙水，又食武昌魚?！?（事實(shí)及其進(jìn)展結(jié)構(gòu)） 剛才開機(jī)了，意味著發(fā)出了捕獲目標(biāo)圖像的信號(hào)。（“情況行為”）再如，人們好奇于“金剛石可在氧氣中燃燒而消失”的原因，就可用產(chǎn)生式知識(shí)表示的語言結(jié)構(gòu)來解釋：因?yàn)榻饎偸怯商荚咏M成的，所以再硬的金剛石也可燃燒成為CO2，變成氣體消失了。

37、 7.產(chǎn)生式的結(jié)構(gòu)形式2022/7/2053 7.專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示特點(diǎn)：產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)形象、生動(dòng)，普遍存在，既符合客觀規(guī)律，又具有智能特性，極有挖掘研究?jī)r(jià)值。產(chǎn)生式還可以表現(xiàn)更復(fù)雜的情況：可把其表示為相互并立、分立、合成、嵌套等形式。例如，四邊形四邊相等有一角是直角正方形.一個(gè)夏天甲到太白山游覽山上突然刮起寒風(fēng)甲僅僅身穿單衣冰雹雪花紛紛飄落氣候太寒冷了甲渾身打哆嗦. 7.產(chǎn)生式的結(jié)構(gòu)形式更復(fù)雜的情況還有： 中國(guó)的首都是北京。2022/7/2054 7.專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示 7.產(chǎn)生式的結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生式的合成與分解：設(shè)有規(guī)則 R: (AB)(CD)(EF)G) SR1: S1 S2 SR2: S3

38、S4 S1R3: S5S6 S2R4: AB S3 R5: CD S4 S3 S4S5 S6S1 S2R6: EF S5 R7: G S62022/7/2055 7.專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示 7.2產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換設(shè)有規(guī)則 R: (AB)(CD)(EF)G) S產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)換為與/或樹結(jié)構(gòu)來表示：S3 S4S5 S6S1 S2SBA S1S S3 S4 C D S5 S6 E F G 2022/7/2056 7.專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式系統(tǒng)組成：由產(chǎn)生式規(guī)則(Production Rules)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)(Global Database)和控制策略(Control Strategy)三部分組成

39、如圖。由圖可見，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、產(chǎn)生式規(guī)則是系統(tǒng)的具體知識(shí)與信息的存儲(chǔ)處理部件，是產(chǎn)生式系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分；控制策略是系統(tǒng)的協(xié)同處理機(jī)構(gòu)，是產(chǎn)生式系統(tǒng)的指揮控制中心。產(chǎn)生式系統(tǒng)的知識(shí)表示主要體現(xiàn)于綜合數(shù)據(jù)庫(kù)與產(chǎn)生式規(guī)則的各自表示。 7.3產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)與專家系統(tǒng)組成綜合數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生式規(guī)則匹配事實(shí) 調(diào)用規(guī)則控制策略2022/7/2057 7.專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式系統(tǒng)組成：由產(chǎn)生式規(guī)則(Production Rules)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)(Global Database)和控制策略(Control Strategy)三部分組成如圖。 7.3產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)與專家系統(tǒng)組成綜合數(shù)據(jù)庫(kù) 控制 匹配事實(shí) 調(diào)用規(guī)則 產(chǎn)生式規(guī)則

40、(庫(kù)) 策略圖2-3 產(chǎn)生式系統(tǒng)組成2022/7/2058 7.3.3 產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)與專家系統(tǒng)組成 綜合數(shù)據(jù)庫(kù) 產(chǎn)生式規(guī)則 控制策略綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的建造知識(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)推理機(jī)解釋部分（解釋器）知識(shí)的獲取機(jī)構(gòu)專 家 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)表7-1 專家系統(tǒng)與產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)的關(guān)系 產(chǎn) 生 式 系 統(tǒng) 組 成2022/7/2059 7.4專家系統(tǒng)的建造與評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)的性能需要從四方面來考慮：即方便性、有效性、可靠性和可維護(hù)性。專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則：由于考慮因素不同，角度不同，所給出的準(zhǔn)則也不同。為了使所設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)，專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般要求遵循以下基本原則： 知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)分離。這是設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的基本原則。 盡量使用

41、統(tǒng)一的知識(shí)表示方法。以便于系統(tǒng)對(duì)知識(shí)進(jìn)行統(tǒng)一的處理、解釋和管理。 推理機(jī)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化。把啟發(fā)性知識(shí)也盡可能地獨(dú)立出來，這樣既便于推理機(jī)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也便于對(duì)問題的解釋。 7.4.一般步驟與方法2022/7/2060 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造專家系統(tǒng)的開發(fā)步驟: 一般所采取的步驟是一個(gè)傳統(tǒng)程序開發(fā)的循環(huán)形式，整個(gè)開發(fā)過程如圖7-5所示,由一系列動(dòng)態(tài)過程組成。 7.4.一般步驟與方法2022/7/2061 7.4.一般步驟與方法需求分析知識(shí)表示詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)編碼測(cè)試與評(píng)價(jià)管理與維護(hù)知識(shí)獲取初步設(shè)計(jì)圖7-5 專家系統(tǒng)開發(fā)的生存周期模型 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造 在ES開發(fā)中，最初：不可能被很好理解，定

42、義也不可能很完整，則初期開發(fā)過程只能自頂而下；過程中：在每一過程進(jìn)行中，往往又需要不斷反復(fù)回溯；以修改已進(jìn)行的過程。后期優(yōu)化：在過程的動(dòng)態(tài)反復(fù)進(jìn)行中，系統(tǒng)須不斷優(yōu)化，最終形成能滿足要求的實(shí)際系統(tǒng)。2022/7/2062 需求分析。 在進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)之前，首先必須搞清楚用戶需要一個(gè)什么樣的系統(tǒng)？要求具有什么功能？各項(xiàng)性能要求如何等。因此，需求分析做的好壞是系統(tǒng)最終成敗的一個(gè)關(guān)鍵，而且是專家系統(tǒng)的艱難開發(fā)過程的第一關(guān)。知識(shí)工程師要花很多時(shí)間反復(fù)向未來的用戶和領(lǐng)域?qū)＜姨岢龈鞣N問題，并共同討論解決各種問題的方法，寫出“需求分析報(bào)告”， 根據(jù)專家與用戶們的評(píng)審意見， 把需求分析報(bào)告改寫成“系統(tǒng)規(guī)

43、格說明書”，并做出“系統(tǒng)開發(fā)計(jì)劃”。 7.4.一般步驟與方法 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2063知識(shí)獲取是專家系統(tǒng)開發(fā)過程中最重要而困難的一步，被稱為專家系統(tǒng)開發(fā)的“瓶頸”。因此，在做了需求分析之后，就要開始尋找該領(lǐng)域內(nèi)合適的專家以及相應(yīng)的資料來獲取知識(shí)。知識(shí)獲取需要知識(shí)工程師與領(lǐng)域?qū)＜业拿芮信浜虾椭С?，否則是不可能成功的。從某種意義上來說，知識(shí)是決定專家系統(tǒng)性能好壞的主要因素，知識(shí)獲取的成功幾乎就使系統(tǒng)成功了一半。這是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行，不斷修改、擴(kuò)充；進(jìn)行需求分析，知識(shí)表示，詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)編碼、測(cè)試與評(píng)價(jià)，管理與維護(hù)的過程。 7.4.一般步驟與方法 知識(shí)獲?。?022/7/2064

44、 知識(shí)表示： 在第3章中曾介紹了多種知識(shí)表示方法，不同的表示模式適合于表達(dá)不同類型的知識(shí)。因此，根據(jù)所選定的領(lǐng)域范圍和所獲取的知識(shí)，選定或設(shè)計(jì)一、二種表示方法來最合適地表示相應(yīng)領(lǐng)域的知識(shí)是一項(xiàng)很重要的工作。值的指出的是，某些專家系統(tǒng)中的知識(shí)類型比較多，單一知識(shí)表示模式有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的任務(wù)要求。因此，在具體建造專家系統(tǒng)時(shí)，可采用多種知識(shí)表示方法有機(jī)結(jié)合的方法。這樣，可對(duì)不同類型的知識(shí)采用最合適的方法來表示，發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢(shì)。 7.4.一般步驟與方法 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2065 初步設(shè)計(jì)： 這個(gè)階段所要完成的任務(wù)是從宏觀上初步確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)行功能模塊的劃分，確定各

45、功能模塊之間的相互關(guān)系（包括控制流和數(shù)據(jù)流等），畫出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，確定主要的用戶界面及相應(yīng)的設(shè)計(jì)報(bào)告或說明書。在總的滿足需求分析的前提下，最終確定系統(tǒng)或模塊的性能指標(biāo)，作為下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)要達(dá)到的目標(biāo)。 7.4.一般步驟與方法 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2066該階段要根據(jù)各功能模塊任務(wù)和性能的要求，完成各模塊的具體方案設(shè)計(jì)。具體要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、知識(shí)獲取、解釋和用戶接口的實(shí)現(xiàn)方案。程序結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)是詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的主要方法。先將整個(gè)程序分解為若干模塊，每個(gè)模塊又分解為若干個(gè)子模塊，有的子模塊還可更進(jìn)一步分解。明確各模塊和子模塊的功能及其入口和出口，以便不同的

46、程序員可明確分工，分別編寫不同的模塊和子模塊。完成各模塊間接口的具體設(shè)計(jì)，要求界面清晰、互相聯(lián)系方便和高效。 7.4.一般步驟與方法 詳細(xì)設(shè)計(jì)：2022/7/2067 選擇合適的語言工具，這要根據(jù)具體情況而定，其中包括是否可能實(shí)現(xiàn)上面確定的詳細(xì)設(shè)計(jì)；軟件編程人員對(duì)語言或工具的熟練程度以及實(shí)現(xiàn)人員的水平；是否能表達(dá)所獲取的知識(shí)；可移植性和可維護(hù)性等。 可選擇使用某種“外殼”（Shell）來實(shí)現(xiàn)，將使這一工作變得簡(jiǎn)單，僅需按規(guī)定要求，把知識(shí)庫(kù)與外殼連接起來并作必要的測(cè)試即可。還必須采用某種知識(shí)處理語言來實(shí)現(xiàn)各功能模塊，對(duì)各功能模塊進(jìn)行詳細(xì)編碼與調(diào)試，并將這些模塊連接起來，再進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。 7.4.

47、一般步驟與方法 具體實(shí)現(xiàn)編碼。2022/7/2068 功能模塊測(cè)試與評(píng)價(jià)，已在具體實(shí)現(xiàn)階段完成。而系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)價(jià)的目的在于測(cè)試和評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的功能與性能，并進(jìn)行必要的修改以達(dá)到在需求分析階段確定的功能與性能指標(biāo)。系統(tǒng)的測(cè)試與評(píng)價(jià)必須有領(lǐng)域?qū)＜液陀脩魠⒓?，不僅要對(duì)程序編碼進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也要對(duì)知識(shí)和推理進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)，界面是否滿足用戶的要求等。方法：選用測(cè)試實(shí)例與專家的處理結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)不合理或不滿意，則由開發(fā)人員具體修改，再進(jìn)行下一輪測(cè)試，如此循環(huán)往復(fù)，不斷完善，直到最終達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 7.4.一般步驟與方法 系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)價(jià)：2022/7/2069 這是ES應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。ES系統(tǒng)經(jīng)過一定

48、時(shí)間實(shí)際運(yùn)行后,將積累一些經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，并發(fā)現(xiàn)某些不足。因此，知識(shí)庫(kù)的知識(shí)要不斷增加與更新，以提高專家系統(tǒng)的適應(yīng)性和問題求解能力。允許對(duì)其繼續(xù)進(jìn)行修改與維護(hù)，當(dāng)然這需要由豐富經(jīng)驗(yàn)的人員完成。 7.4.一般步驟與方法 系統(tǒng)管理與維護(hù)：2022/7/2070可見，ES開發(fā)過程是一個(gè)漫長(zhǎng)的“設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、修改、再設(shè)計(jì)、再實(shí)現(xiàn)、再測(cè)試、再修改、”的不斷循環(huán)的反復(fù)過程。 例如通過系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)價(jià)，要檢查整個(gè)專家系統(tǒng)的正確性與實(shí)用性，以便于系統(tǒng)進(jìn)行修改與完善，或者是可以提供用戶使用。其次，上述各開發(fā)階段往往是不能截然分開的。例如，知識(shí)獲取和表示與實(shí)現(xiàn)過程互相滲透，密切相關(guān)。在測(cè)試中知識(shí)工程師們可能要不斷地

49、修改系統(tǒng)的各個(gè)部分，也可能要不斷地修改已獲取的知識(shí)，從而有可能要重新形成規(guī)則，或需要重新設(shè)計(jì)知識(shí)表示方法，發(fā)現(xiàn)新概念或取消舊概念，甚至可能重新進(jìn)行需求分析。 7.4.一般步驟與方法 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2071專家系統(tǒng)性能優(yōu)劣與知識(shí)的數(shù)量與質(zhì)量有關(guān)一般而言，對(duì)專家系統(tǒng)知識(shí)表示有如下要求： 表示能力：能將問題求解所需知識(shí)有效正確表達(dá)。 可理解性：所表達(dá)的知識(shí)簡(jiǎn)單、明了、易于理解。 可訪問性：能夠有效地利用所表達(dá)的知識(shí)。 可擴(kuò)充性：能夠方便、靈活地對(duì)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)充。 7.4.專家系統(tǒng)知識(shí)表示與知識(shí)描述 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2072 專家系統(tǒng)知識(shí)表示:已在AI領(lǐng)

50、域中發(fā)展了多種知識(shí)表達(dá)方法（詳見第3章）。從實(shí)現(xiàn)的技術(shù)特征上大致分兩類： 1）說明性方法：可把大多數(shù)的知識(shí)可以表示為一個(gè)穩(wěn)定的事實(shí)集合。這種方法嚴(yán)密性強(qiáng)，易于模塊化，具有推理的完備性，但推理的效率比較低。 2）過程性方法：把知識(shí)表達(dá)為應(yīng)用該知識(shí)的過程。這種方法不易擴(kuò)充，但推理效率比較高。 究竟采用哪種方法好，要具體情況具體分析確定。 7.4.專家系統(tǒng)知識(shí)表示與知識(shí)描述 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2073知識(shí)描述：選擇或設(shè)計(jì)某種知識(shí)表示形式，設(shè)計(jì)相應(yīng)的知識(shí)描述語言。要求該語言既要面向用戶，又要面向機(jī)器推理、機(jī)器知識(shí)的表示和運(yùn)用。即要求該描述語言既能為用戶提供一種方便、易懂的外部知識(shí)

51、表達(dá)形式，又能將這種外部表示轉(zhuǎn)換成容易存儲(chǔ)、管理、運(yùn)用的內(nèi)部形式。 1）可用現(xiàn)有的程序設(shè)計(jì)語言作為知識(shí)描述語言，如PROLOG、LISP、C+等； 2）也可以選用專用的如產(chǎn)生式語言O(shè)PS、框架語言KPL等； 3）還可選擇現(xiàn)成的ES工具來描述，如KAS、EMYCIN等。 當(dāng)然還可自行動(dòng)手設(shè)計(jì)等。 7.4.專家系統(tǒng)知識(shí)表示與知識(shí)描述 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2074 知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心，知識(shí)庫(kù)的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能和效率。 1）知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)：對(duì)知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)，主要在于設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)及其知識(shí)組織形式。ES知識(shí)庫(kù)，一般取層次結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模式。 2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該結(jié)構(gòu)模式是把知

52、識(shí)按某種原則進(jìn)行分類，然后分塊分層組織存放。諸如按元知識(shí)、專家知識(shí)、領(lǐng)域知識(shí)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(gè)知識(shí)庫(kù)就呈樹型或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種層次結(jié)構(gòu)，可方便知識(shí)的調(diào)度和搜索，加快推理速度，提高效率；采用分塊存放，便于更經(jīng)濟(jì)地利用知識(shí)庫(kù)空間。 7.4.知識(shí)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2075知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 知識(shí)庫(kù)的建立、刪除、重組及維護(hù)和知識(shí)的錄入、查詢、更新、優(yōu)化等，還有知識(shí)的完整性、一致性、冗余性檢查和安全保護(hù)等方面的工作都是對(duì)知識(shí)的管理，是提高整個(gè)系統(tǒng)性能和效率的保證，對(duì)知識(shí)的這些管理是由知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)來完成。 7.4.知識(shí)庫(kù)與知

53、識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2076知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要做到下面三個(gè)方面： 知識(shí)操作功能設(shè)計(jì)。包括添加、刪除、修改、查詢和統(tǒng)計(jì)等，這些功能可采用兩種方法來實(shí)現(xiàn)。利用屏幕窗口，通過人機(jī)對(duì)話方式實(shí)現(xiàn)知識(shí)的增、刪、改、查等； 用全屏幕編輯方式，讓用戶直接用鍵盤按知識(shí)描述語言的語法格式編輯知識(shí)。 知識(shí)檢查功能設(shè)計(jì)。檢查知識(shí)的一致性、完整性、冗余性等。 知識(shí)庫(kù)操作設(shè)計(jì)。包括知識(shí)庫(kù)（文件）的建立、刪除、分解、合并等。其中知識(shí)庫(kù)的分解和合并功能類似于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的投影、選擇和連接操作，實(shí)現(xiàn)的是知識(shí)庫(kù)的重組。因?yàn)殡S著系統(tǒng)的運(yùn)行，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)原先的知識(shí)組合不盡合理，從而需要使用分解與合

54、并來重組。 7.4.知識(shí)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2077例如， 知識(shí)的一致性。所謂知識(shí)的一致性，就是知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)必須是相容的，即無矛盾。例如，下面的兩條規(guī)則r1：if P then Qr2：if P then Q它們就是矛盾的。 再如，設(shè)有如下產(chǎn)生式規(guī)則r1：if P then Qr2：if Q then Rr3：if R then Sr4：if P then Tr5：if T then S 7.4.知識(shí)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2078 其中，r1，r2，r3是一條規(guī)則鏈；r4，r5是另一條規(guī)則鏈。它們有相同的初始條件，

55、即P。此時(shí)，這兩條規(guī)則鏈也是矛盾的。 那么，對(duì)于這樣的矛盾規(guī)則或矛盾規(guī)則鏈，不能讓它們共處同一個(gè)知識(shí)庫(kù)中，必須從中舍棄一個(gè)，具體需征求領(lǐng)域?qū)＜业囊庖姟?知識(shí)的完整性。 所謂完整性，是指知識(shí)中的約束條件，應(yīng)為完整性約束。 例如，小王身高x米，則必須滿足：x3；又如，弟弟今年m歲，哥哥今年n歲，則必須滿足mn。否則就破壞了知識(shí)的完整性。 7.4.知識(shí)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2079知識(shí)的冗余性。 所謂冗余性，就是指知識(shí)庫(kù)中存在多余的知識(shí)或者存在多余的約束條件。冗余性檢查就是檢查知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)是否存在冗余，并對(duì)冗余內(nèi)容進(jìn)行修改或刪除，使得系統(tǒng)中不存在冗余現(xiàn)象。例如

56、，下面的三條規(guī)則r1：if P then Q r2：if Q then R r3：if P then R 若它們同時(shí)存在于一個(gè)知識(shí)庫(kù)中，則就出現(xiàn)了冗余。因?yàn)椋蓃1和r2就可推出r3。所以，r3實(shí)際是多余的。 7.4.知識(shí)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2080 其實(shí)推理機(jī)的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)知識(shí)表達(dá)、知識(shí)推理方法和推理控制策略，設(shè)計(jì)具有求解專門問題、進(jìn)行推理功能的自動(dòng)推理計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。 推理機(jī)是一個(gè)較復(fù)雜的部件，其功能的強(qiáng)弱將直接影響到專家系統(tǒng)的性能，推理機(jī)的推理是基于知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行的。所以，推理機(jī)就必須與知識(shí)庫(kù)及其知識(shí)相適應(yīng)、相配套。具體來講，就是推理機(jī)必須與

57、知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)、層次以及其中知識(shí)的具體表示形式等相協(xié)調(diào)、相匹配。否則，推理機(jī)與知識(shí)庫(kù)將無法接軌。 7.4.推理機(jī)與解釋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2081 設(shè)計(jì)推理機(jī)時(shí)要考慮如下： 控制策略與推理方向選擇： 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制，即正向推理。其優(yōu)點(diǎn)是：用戶可主動(dòng)提供數(shù)據(jù)信息，適用于“解空間”大的問題，如設(shè)計(jì)、管理。 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)控制，即反向推理。其優(yōu)點(diǎn)是：推理目的明確，便于推理過程解釋。 混合控制，即數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與目標(biāo)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)選擇目標(biāo)，而由目標(biāo)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行求解。 7.4.推理機(jī)與解釋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2082 推理方法選擇與結(jié)合。 知識(shí)推理方法選擇

58、與知識(shí)表達(dá)方法有關(guān)，表達(dá)方法的結(jié)合也導(dǎo)致推理方法的結(jié)合。啟發(fā)推理與算法推理相結(jié)合可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。如： 啟發(fā)推理：用于淺層知識(shí)、常識(shí)性知識(shí)、不確定知識(shí)推理等。 算法推理：用于深層知識(shí)、數(shù)學(xué)模型、確定性邏輯推理等。 7.4.推理機(jī)與解釋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2083 推理效果與推理效率： 推理效果：即推理的正確性和有效性。對(duì)可解的問題能求得解答，能正確地利用和選取知識(shí)，控制和中止推理過程，避免“死循環(huán)”。 推理效率：即推理速度和求解時(shí)間的問題。為了提高推理效率，要充分利用啟發(fā)信息，延緩或避免“組合爆炸”，降低推理和控制的代價(jià)（時(shí)間耗費(fèi)），實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)推理。 另外，在設(shè)計(jì)推理

59、機(jī)時(shí)，還要考慮是采用精確推理，還是不精確推理？是串行推理，還是并行推理？是單調(diào)推理，還是非單調(diào)推理？是用歸納法，還是用自然演繹法等問題。 7.4.推理機(jī)與解釋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2084解釋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)： 專家系統(tǒng)一般要求要有解釋功能，回答用戶在推理過程中“為什么”之類的問題及在推理結(jié)束后回答“怎么樣（得到結(jié)果）”之類的問題。從系統(tǒng)功能上講，一般是將解釋作為一個(gè)獨(dú)立的模塊來處理，但在結(jié)構(gòu)上，由于要解釋就必須對(duì)推理進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，因此，解釋機(jī)構(gòu)常與推理機(jī)的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮和進(jìn)行。也就是說，解釋機(jī)構(gòu)模塊應(yīng)作為推理機(jī)的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 7.4.推理機(jī)與解釋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7.4專家系

60、統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2085系統(tǒng)向用戶提出各種問題，請(qǐng)求用戶交互地給予回答。其目的是專家系統(tǒng)在執(zhí)行過程中對(duì)任何需要的而系統(tǒng)中不能自身解決的問題都可求助于向用戶提問。各種問題求解結(jié)論的輸出（顯示、打印或繪圖等）可以是文字或圖表等。實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶要求的解釋信息的輸出。專家系統(tǒng)與知識(shí)工程師或領(lǐng)域?qū)＜业慕涌谶@里通常指知識(shí)獲取界面，其功能為：輸入知識(shí)，包括對(duì)知識(shí)庫(kù)內(nèi)容的插入、刪除和修改等，以便擴(kuò)充、更新知識(shí)庫(kù)；顯示知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容，以便于進(jìn)行檢索和抽取，并對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)。 7.4.人機(jī)界面設(shè)計(jì) 7.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2022/7/2086 7.5專家系統(tǒng)的評(píng)價(jià)從本質(zhì)上講， ES的質(zhì)量取決于計(jì)算機(jī)工