知識(shí)工程與專家系統(tǒng)課件

1、知識(shí)工程與專家系統(tǒng)簡介基本內(nèi)容一、基本概念與結(jié)構(gòu)二、研究現(xiàn)狀三、發(fā)展前景四、專家系統(tǒng)實(shí)例五、結(jié)束語一、基本概念與結(jié)構(gòu) 1.專家工程的概念 專家系統(tǒng)是知識(shí)工程的應(yīng)用系統(tǒng)，而知識(shí)工程是人工智能發(fā)展的新課題。 專家系統(tǒng)（ExpertSystem)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)。是一個(gè)含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問題的方法來處理該 領(lǐng)域問題。A應(yīng)用于某專門領(lǐng)域B擁有專家級(jí)知識(shí)2.專家系統(tǒng)應(yīng)該具備以下四個(gè)要素C能模擬專家的思維D能達(dá)到專家級(jí)水平3.專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1圖1-1人機(jī)接口解釋機(jī)構(gòu)知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫推理機(jī)知識(shí)庫

2、用戶領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)工程師從概念來講，一個(gè)專家系統(tǒng)應(yīng)具有如圖1-1所示的一般結(jié)構(gòu)模式。一般完整的專家系統(tǒng)應(yīng)包括人機(jī)接口、推理機(jī)、知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫、知識(shí)獲取器和解釋機(jī)構(gòu)六部分。 所謂知識(shí)庫，就是以某種表示形式存儲(chǔ)于計(jì)算中的知識(shí)的集合。知識(shí)庫通常是以一個(gè)個(gè)文件的形式存放于外部介質(zhì)上，專家系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將被調(diào)入內(nèi)存。知識(shí)庫中的知識(shí)一般包括專家知識(shí)、領(lǐng)域知識(shí)和元知識(shí)。 所謂推理機(jī)，就是實(shí)現(xiàn)（機(jī)器）推理的程序。這里的推理，是一個(gè)廣義的概念，它既包括通常的邏輯推理，也包括基于產(chǎn)生式的操作。其中知識(shí)庫和推理機(jī)是兩個(gè)最基本的模塊，如圖1-2。 知識(shí)庫（KnowledgeBase)推理機(jī)（Inferense Engine

3、）圖1-2 一般的專家系統(tǒng)是通過推理機(jī)與知識(shí)庫和綜合數(shù)據(jù)庫的交互作用來求解領(lǐng)域問題的，其大致過程如下：1）根據(jù)用戶的問題對(duì)知識(shí)庫進(jìn)行搜索，尋找有關(guān)的知識(shí)；（匹配）2）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，從而構(gòu)成一個(gè)假設(shè)方案集合；3）對(duì)假設(shè)方案集合進(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；（沖突解決）4）根據(jù)挑選的假設(shè)方案去求解具體問題；（執(zhí)行）5）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；6）循環(huán)執(zhí)行上述過程，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“無解”為止。4.專家系統(tǒng)的工作原理 5.專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序的區(qū)別

4、專家系統(tǒng)是一種智能的計(jì)算機(jī)程序，但又與一般的計(jì)算機(jī)程序不同，傳統(tǒng)程序是以指令序列程序?yàn)楹诵牡?。程序相?yīng)于知識(shí)庫,指令相應(yīng)于知識(shí)。程序的執(zhí)行是由編譯程序和硬件共同完成的。它相當(dāng)于專家系統(tǒng)的推理機(jī)編輯程序相應(yīng)于知識(shí)獲取系統(tǒng)。 但專家系統(tǒng)是比傳統(tǒng)程序高一級(jí)的程序，它與傳統(tǒng)程序有以下三個(gè)本質(zhì)差異。 第一、專家系統(tǒng)的推理機(jī)能夠根據(jù)不同的處理對(duì)象從知識(shí)庫中選擇不同的知識(shí)、構(gòu)成不同的序列，或者說生成不同的程序。 第二、專家系統(tǒng)具有處理非確定性知識(shí)和數(shù)據(jù)的能力。因?yàn)樗軌蚋鶕?jù)環(huán)境選擇不同的知識(shí)序列,或者說用不同的知識(shí)組合來權(quán)衡知識(shí)的非確定性程度,這恰好符合實(shí)際問題中專家解決問題的思維方法。 第三、專家系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)

5、依靠某一領(lǐng)域的高水平知識(shí)來實(shí)現(xiàn)高性能,而且專家系統(tǒng)既能用理論知識(shí)，又能應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。 啟發(fā)性能運(yùn)用專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷A透明性能解決本身的推理過程, 回答用戶提出的問題B靈活性能不斷地增長知識(shí), 修改原有知識(shí)C6.專家系統(tǒng)的特點(diǎn)二、研究現(xiàn)狀 作為人工智能一個(gè)重要分支的專家系統(tǒng) (ExpertSys-tem, ES)是在 20世紀(jì) 60年代初期產(chǎn)生并發(fā)展起來的一門新興的應(yīng)用科學(xué), 而且正隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展而日臻完善和成熟。 目前已研究的專家系統(tǒng)模型有很多種。 其中較為流行的有基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、基于案例的專家系統(tǒng)、基于框架的專家系統(tǒng)、基于模糊邏輯的專家系統(tǒng)、基于 D-S證據(jù)理論的

6、專家系統(tǒng)、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)和基于遺傳算法的專家系統(tǒng)等。專家系統(tǒng)模型基于規(guī)則的專家系統(tǒng)（RBR）根據(jù)以往專家診斷的經(jīng)驗(yàn), 將其歸納成規(guī)則, 通過啟發(fā)式經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行推理。 它具有明確的前提, 得到確定的結(jié)果。如測(cè)定分子結(jié)構(gòu)和原子組成的DENDRAL系統(tǒng)?；诳蚣艿膶＜蚁到y(tǒng)將某類對(duì)象的所有知識(shí)組織在一起的一種通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) , 而相互關(guān)聯(lián)的框架連接組成框架系統(tǒng)基于案例推理的專家系統(tǒng)（CBR）通過搜索曾經(jīng)成功解決過的類似問題, 比較新舊問題之間的特征、發(fā)生背景等差異, 重新使用或參考以前的知識(shí)和信息, 達(dá)到最終解決新問題的方法。如CYRUS系統(tǒng)?；谀：壿嫷膶＜蚁到y(tǒng) 模糊性是指客觀事物在狀態(tài)

7、及其屬性方面的不分明性, 其根源是在類似事物間存在一系列過渡狀態(tài), 它們互相滲透、互相貫通, 使得彼此之間沒有明顯的分界線。 模糊性是客觀世界中某些事物本身所具有的一種不確定性, 它與隨機(jī)性有著本質(zhì)的區(qū)別。 但是, 模糊推理知識(shí)獲取困難, 尤其是征兆的模糊關(guān)系較難確定, 且系統(tǒng)的推理能力依賴模糊知識(shí)庫, 學(xué)習(xí)能力差, 容易發(fā)生錯(cuò)誤。基于D-S證據(jù)理論的專家系統(tǒng) D-S理論具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ), 它能將“不知道”和“不確定”區(qū)分開來。 但它也存在明顯的不足, 當(dāng)證據(jù)沖突度較高時(shí), 經(jīng)過其組合規(guī)則得到的結(jié)論常常有悖于常理；另外，基于D-S理論的專家系統(tǒng)在數(shù)據(jù)較多時(shí)，具有潛在的指數(shù)復(fù)雜度和推理鏈較長的

8、缺點(diǎn)。專家系統(tǒng)模型專家系統(tǒng)模型基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork, ANN)仿效生物體信息處理系統(tǒng)獲得柔性信息處理能力。 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)的具體應(yīng)用形式可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型, 能夠?qū)崿F(xiàn)不同的用途。因此 , 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)是目前最流行的專家系統(tǒng) ?；谶z傳算法的專家系統(tǒng) 遺傳算法(GeneticAlgorithms, GA)是一種基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的優(yōu)化搜索方法。 與一般的尋優(yōu)方法相比, 遺傳算法是一種全局優(yōu)化算法;在模糊推理隸屬度函數(shù)形狀的選取上具有更大的靈活性;由于具有隱含并行性, 可通過大規(guī)模并

9、行計(jì)算來提高計(jì)算速度;可在沒有任何先驗(yàn)知識(shí)和專家知識(shí)的情況下取得次優(yōu)或最優(yōu)解。三、發(fā)展前景1.專家系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 近年來, 發(fā)展專家系統(tǒng)不僅要采用各種定性的模型, 而且要將各種模型綜合運(yùn)用, 以及運(yùn)用人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一些新思想和新技術(shù), 如分布式和協(xié)同式。這些都是專家系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。123 專家系統(tǒng)的開發(fā)需要領(lǐng)域?qū)＜液椭R(shí)工程師共同努力，通用性專家系統(tǒng)作為一種新型專家系統(tǒng), 其特點(diǎn)如下： 集成多種模型的專家系統(tǒng)，根據(jù)用戶的需要，可以選擇其中的任何一種或多種，形成某一類型的專家系統(tǒng)； 通過多種模型的綜合運(yùn)用，提高了專家系統(tǒng)的準(zhǔn)確率和效率； 經(jīng)過長期使用，可以探索出針對(duì)某一問題的最佳模式（多

10、種模型的綜合運(yùn)用)，獲得最優(yōu)的專用專家系統(tǒng)。1.1 通用性專家系統(tǒng)1.2 分布式專家系統(tǒng) 分布式專家系統(tǒng)具有分布處理的特征, 其主要目的在于把一個(gè)專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解后分布到多個(gè)處理器上并行工作從而在整體上提高系統(tǒng)的處理效率。這種專家系統(tǒng)較強(qiáng)的可擴(kuò)張性和靈活性,實(shí)現(xiàn)了開發(fā)者有效地進(jìn)行交流和共享資源，極大提高了準(zhǔn)確率和效率。分布式專家系統(tǒng)作為一種新型專家系統(tǒng), 其特點(diǎn)有：系統(tǒng)數(shù)據(jù)的所有來源，分門別類地對(duì)不同數(shù)據(jù)來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，同時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確、實(shí)用性強(qiáng)；系統(tǒng)開發(fā)工具多樣，開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用環(huán)境分離，使開發(fā)完善過程與應(yīng)用過程可以獨(dú)立地異步進(jìn)行；可以同時(shí)完成多用戶、多個(gè)并發(fā)請(qǐng)求的推理；借助輔

11、助數(shù)據(jù)庫，對(duì)推理過程可以進(jìn)行有效的控制與監(jiān)測(cè)，并能整合推理結(jié)果，以多種形式反饋給用戶。 一般認(rèn)為，協(xié)同式專家系統(tǒng)是能綜合若干相關(guān)領(lǐng)域 (或一個(gè)領(lǐng)域)多個(gè)方面的單一專家系統(tǒng)互相協(xié)作共同解決一個(gè)更廣領(lǐng)域問題的專家系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)亦可稱之為群專家系統(tǒng)。 協(xié)同式專家系統(tǒng)作為一種新型專家系統(tǒng), 其特點(diǎn)有：將總?cè)蝿?wù)合理地分解為幾個(gè)分任務(wù)，分別由幾個(gè)分專家系統(tǒng)來完成。 把解決各個(gè)分任務(wù)所需要知識(shí)的公共部分提煉出來形成一個(gè)公共知識(shí)庫, 供各子專家系統(tǒng)共享；而分專家系統(tǒng)中專用的知識(shí)，則存放在各自的專用知識(shí)庫中。 為了統(tǒng)一協(xié)調(diào)解決問題， 有一個(gè)供各個(gè)分專家系統(tǒng)討論交流的平臺(tái)。1.3 協(xié)同式專家系統(tǒng)目前已經(jīng)有將分布

12、式和協(xié)同式結(jié)合起來的專家系統(tǒng) 在專家系統(tǒng)中，對(duì)知識(shí)應(yīng)用的順序和選擇過程稱為控制策略，它決定著如何推理以及采用何種推理方式。正向推理和反向推理就是兩種重要的控制策略。下面簡單介紹一個(gè)正向推理的專家系統(tǒng)實(shí)例四、專家系統(tǒng)實(shí)例蘇格拉底是男人所有男人都屬于人類人類必然要死亡蘇格拉底是男人所有男人都屬于人類，人類必然要死蘇格拉底是人類蘇格拉底是男人所有男人都屬于人類人類必然要死亡蘇格拉底是人類蘇格拉底必然要死亡蘇格拉底是人類最終狀態(tài)人類必然要死亡蘇格拉底是人類蘇格拉底必然要死亡上圖所示實(shí)例中，知識(shí)庫中的規(guī)則：IF 蘇格拉底=TURE THEN 男人=TURE.IF 男人=TURE THEN 人類=TURE

13、.IF 人類=TURE THEN 會(huì)死的=TURE. 解釋機(jī)構(gòu)：順序規(guī)則建議取得由來。 顯示：會(huì)死的 = TRUE應(yīng)用規(guī)則:IF 人類 = TRUETHEN 會(huì)死的 = TRUE . 顯示:男人 = TRUE應(yīng)用規(guī)則:IF 蘇格拉底 = TRUETHEN 男人 = TRUE . 顯示:人類 = TRUE應(yīng)用規(guī)則:IF 男人 = TRUETHEN 人類 = TRUE . 你說:蘇格拉底 = TRUE 建議證實(shí). 總結(jié)：推理機(jī)的工作過程如下： （1）推理機(jī)將知識(shí)庫中的規(guī)則前提與這些事實(shí)進(jìn)行匹配；一般是將每條規(guī)則的取出來，驗(yàn)證這些前提是否在數(shù)據(jù)庫中，若都在，則匹配成功；不然的話，則取下一條規(guī)則進(jìn)行匹配。 （2）把匹配成功的規(guī)則的作為新的事實(shí)添加到綜合數(shù)據(jù)庫中。 （3）用更新后的綜合數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)，重復(fù)上面兩個(gè)步驟，直到某個(gè)事實(shí)就是意想中的結(jié)論