第7章專家系統(tǒng)

第７章專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用領(lǐng)域中最活躍的一個(gè)分支,自1968年費(fèi)根鮑姆等人研制成功第一個(gè)專家系統(tǒng)DENDRAL以來,應(yīng)用于醫(yī)療診斷、圖象處理、石油化工、地質(zhì)勘探、金融決策、實(shí)時(shí)監(jiān)控、分子遺傳工程、教學(xué)、軍事等不同領(lǐng)域中的專家系統(tǒng)就象雨后春筍般涌現(xiàn)出來。成功的專家系統(tǒng)不僅取得了極大的社會(huì)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)的研究和發(fā)展。第７章專家系統(tǒng)本章將對(duì)專家系統(tǒng)的有關(guān)概念及建造技術(shù)進(jìn)行討論，并給出相應(yīng)的實(shí)例。什麼是專家系統(tǒng)？關(guān)于專家系統(tǒng)到現(xiàn)在尚沒有一個(gè)嚴(yán)格的定義，但專家們共識(shí)：一個(gè)專家系統(tǒng)是一個(gè)智能程序系統(tǒng)，它里面應(yīng)具有大量相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)，它能應(yīng)用人工智能技術(shù)模擬領(lǐng)域?qū)＜仪蠼鈫栴}的思維過程進(jìn)行推理，解決相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的困難問題，并且達(dá)到甚至超過領(lǐng)域?qū)＜业乃?。專家系統(tǒng)的基本特征１、具有專家水平的專門知識(shí)一個(gè)專家系統(tǒng)為了能象人類專家那樣工作，就必須具有專家級(jí)的知識(shí)，知識(shí)越豐富，質(zhì)量越高，解決問題的能力就越強(qiáng)。專家系統(tǒng)的知識(shí)可分為三個(gè)層次，即數(shù)據(jù)級(jí)、知識(shí)庫(kù)級(jí)和控制級(jí)。數(shù)據(jù)級(jí)知識(shí)是指具體問題所提供的初始事實(shí)以及問題求解過程中產(chǎn)生的中間結(jié)論，最終結(jié)論等。專家系統(tǒng)的基本特征如醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)中患者的癥狀、化驗(yàn)結(jié)果及由專家系統(tǒng)推出的病因、治療方案等，這一類知識(shí)通常存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。知識(shí)庫(kù)級(jí)知識(shí)是指專家的知識(shí)，例如醫(yī)學(xué)常識(shí)、醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)等。這一類知識(shí)是構(gòu)成專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而且專家系統(tǒng)的性能主要取決于知識(shí)庫(kù)的質(zhì)量和數(shù)量。專家系統(tǒng)的基本特征控制性知識(shí)是關(guān)于如何運(yùn)用前兩種知識(shí)的知識(shí)。這一級(jí)的知識(shí)直接關(guān)系到系統(tǒng)的智能程度。它和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)工程師的水平有關(guān)。２、能進(jìn)行有效的推理不同專家系統(tǒng)所面臨的領(lǐng)域問題不同，要求解的問題有不同的特性，因而不同專家系統(tǒng)的推理機(jī)制也不盡相同。有的需要精確推理，有的則要求進(jìn)行不精確專家系統(tǒng)的基本特征甚至是不完全推理及試探性推理等，需要根據(jù)問題的性質(zhì)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。我們介紹的知識(shí)表示、推理及搜索策略都可在專家系統(tǒng)中應(yīng)用。３、具有獲取知識(shí)的能力專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)是知識(shí)。為了得到知識(shí)必須具有獲取知識(shí)的能力。目前這個(gè)問題仍然是個(gè)瓶頸問題。專家系統(tǒng)的基本特征一些高級(jí)專家系統(tǒng)正在建立一些自動(dòng)獲取工具，使系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)能力，能從系統(tǒng)的實(shí)踐中不斷總結(jié)出新的知識(shí)，使知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)越來越豐富、完善。４、具有靈活性大多數(shù)專家系統(tǒng)采取知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)分離的構(gòu)造原則，彼此既聯(lián)系又相互獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)就使得人們可能把一個(gè)技術(shù)上成熟的專家系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的基本特征工具，只要抽去知識(shí)庫(kù)中知識(shí)就可以使其變成一個(gè)專家系統(tǒng)外殼。當(dāng)要建立另一個(gè)其功能與之類似的專家系統(tǒng)時(shí)，只要把該相應(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)上目前的一些專家系統(tǒng)開發(fā)工具就是這樣得來的。專家系統(tǒng)的基本特征５、具有透明性所謂專家系統(tǒng)的透明性是指系統(tǒng)及其行為能被用戶所理解。專家系統(tǒng)之所以有較好的透明性是因?yàn)樗哂薪忉尮δ埽粋€(gè)專家系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)一些智能性的功能而且還能夠解釋這樣做的理由和原因，這也是專家系統(tǒng)和其它一般管理系統(tǒng)不同的地方．

專家系統(tǒng)的基本特征６、具有交互性專家系統(tǒng)一般都是交互式系統(tǒng)一方面它需要和領(lǐng)域?qū)＜壹爸R(shí)工程師進(jìn)行對(duì)話以獲取知識(shí)，另一方面它需要和用戶對(duì)話以索要求解問題的事實(shí)以及回答用戶的詢問。專家系統(tǒng)的這一特征為用戶提供了極大的方便。專家系統(tǒng)的基本特征７、具有實(shí)用性專家系統(tǒng)都是根據(jù)領(lǐng)域問題的實(shí)際需求開發(fā)的，所以它具有較強(qiáng)的實(shí)用性。目前專家系統(tǒng)已被應(yīng)用于多種領(lǐng)域中，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。８、具有一定的復(fù)雜性和難度由于專家系統(tǒng)是一個(gè)模擬人類求解問題的思維過程，但是人類的思維方式是多種多樣的，因此真正實(shí)現(xiàn)對(duì)人類思維的專家系統(tǒng)的基本特征模擬還是一件很困難的工作，它要依賴于多種學(xué)科的共同發(fā)展。在建造一個(gè)專家系統(tǒng)時(shí)會(huì)遇到各種困難問題，如不確定知識(shí)的表示，不確定性知識(shí)的計(jì)算，匹配等。盡管我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)討論了一些解決問題的處理方法，但對(duì)具體問題還要進(jìn)行調(diào)整。專家系統(tǒng)的基本特征一個(gè)專家系統(tǒng)是一個(gè)智能程序系統(tǒng)，它和一般的程序系統(tǒng)的區(qū)別在于：常規(guī)程序＝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)＋算法專家系統(tǒng)＝知識(shí)＋推理常規(guī)程序把關(guān)于對(duì)問題求解的知識(shí)隱含在程序中，而專家系統(tǒng)把這些知識(shí)和程序分離單獨(dú)放在知識(shí)庫(kù)中。常規(guī)程序是通過計(jì)算和查找來求取問題的答案，而專家系統(tǒng)是通過推理來求取專家系統(tǒng)的基本特征問題的答案，本質(zhì)上面向符號(hào)處理的。常規(guī)程序處理的數(shù)據(jù)多是精確的，對(duì)數(shù)據(jù)的檢索是基于模式的布爾匹配，而專家系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)及知識(shí)多是不精確的、模糊的，知識(shí)的模式匹配也多是不精確的需要為其設(shè)定域值。常規(guī)程序一般不具有解釋功能，而專家系統(tǒng)必須具有解釋功能。它們具有不同的體系結(jié)構(gòu)。專家系統(tǒng)的分類按照專家系統(tǒng)求解問題的性質(zhì)，可以把它分為下列幾種類型。1.

解釋專家系統(tǒng)（expertsystemforinterpretation）解釋專家系統(tǒng)的任務(wù)是通過對(duì)已知信息和數(shù)據(jù)的分析與解釋，確定它們的涵義。解釋專家系統(tǒng)具有下列的特點(diǎn)：（1）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。專家系統(tǒng)的分類（2）

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)作出某些假設(shè)。（3）

系統(tǒng)的推理過程可能很復(fù)雜并且很長(zhǎng)，因此要求系統(tǒng)具有對(duì)自身的推理過程作出解釋的能力。作為解釋專家系統(tǒng)的例子有語音理解、圖象分析、系統(tǒng)監(jiān)視、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析和信號(hào)解釋等。專家系統(tǒng)的分類2.

預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)(Expertsystemforprediction）預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)的任務(wù)是通過對(duì)過去和現(xiàn)在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況。一個(gè)預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)：(1)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。專家系統(tǒng)的分類(2)系統(tǒng)需要有隨時(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)到快速響應(yīng)的要求。預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)的例子有氣象預(yù)報(bào)、軍事預(yù)測(cè)、人口預(yù)測(cè)、交通預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)和谷產(chǎn)量預(yù)測(cè)等。專家系統(tǒng)的分類3.診斷專家系統(tǒng)（expertsystemfordiagnosis）診斷專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)觀察到的情況（數(shù)據(jù)）來推斷出某個(gè)對(duì)象機(jī)能失常（即故障）的原因。診斷專家系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)：（1）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關(guān)系。（2）

能夠區(qū)分一種現(xiàn)象及其所掩蓋的另一種現(xiàn)象。專家系統(tǒng)的分類（3）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。診斷專家系統(tǒng)的例子很多，如醫(yī)療診斷，電子機(jī)械和軟件故障診斷以及材料失效診斷等。用于抗生素治療的MYCIN、肝功能檢驗(yàn)的PUFF、青光眼治療的CASNET都是國(guó)內(nèi)外頗有名氣的實(shí)例。專家系統(tǒng)的分類4.設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)（expertsystemforplanning）設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，求出滿足設(shè)計(jì)問題約束目標(biāo)的目標(biāo)配置。一個(gè)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)具有如下的特點(diǎn)：（1）善于從多方面的約束中得到符合要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。（2）

系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間。專家系統(tǒng)的分類（3）善于分析各種子問題，并處理好子問題間的相互作用。（4）能夠?qū)嶒?yàn)性地構(gòu)造出可能設(shè)計(jì)，并易對(duì)所得設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改。（5）能夠使用已被證明是正確的設(shè)計(jì)來解釋當(dāng)前的（新的）設(shè)計(jì)。專家系統(tǒng)的分類設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)涉及電路（如數(shù)字電路和集成電路）設(shè)計(jì)、土木建筑工程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)等。5.

規(guī)劃專家系統(tǒng)（expertsystemforplanning）規(guī)劃專家系統(tǒng)的任務(wù)在于尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟。規(guī)劃專家系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：專家系統(tǒng)的分類（1）所要規(guī)劃的目標(biāo)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)。（2）

所涉及的問題可能很復(fù)雜，要求系統(tǒng)能抓住重點(diǎn)，處理好各子目標(biāo)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。專家系統(tǒng)的分類規(guī)劃專家系統(tǒng)可用于機(jī)器人規(guī)劃、交通運(yùn)輸調(diào)度、工程項(xiàng)目論證、通信與軍事指揮以及農(nóng)作物施肥方案規(guī)劃等。比較典型的規(guī)劃專家系統(tǒng)的例子有3界3號(hào)軍事指揮調(diào)度系統(tǒng)、REPOS機(jī)器人規(guī)劃專家系統(tǒng)、汽車和火車運(yùn)行調(diào)度專家系統(tǒng)以及小麥和水稻施肥專家系統(tǒng)等。專家系統(tǒng)的分類6.

監(jiān)視專家系統(tǒng)（expertsystemformonitoring）監(jiān)視專家系統(tǒng)的任務(wù)在于對(duì)系統(tǒng)、對(duì)象或過程的行為進(jìn)行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應(yīng)當(dāng)具有的行為進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報(bào)。監(jiān)視專家系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)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)。專家系統(tǒng)的分類（2）系統(tǒng)發(fā)出的警要有很高的準(zhǔn)確性。在需要發(fā)警報(bào)時(shí)發(fā)警報(bào)在不需要發(fā)警報(bào)時(shí)不得輕易發(fā)警報(bào)（假警報(bào)）

（3）系統(tǒng)能隨時(shí)間和條件的變化而動(dòng)態(tài)地處理其輸入信息。

監(jiān)視專家系統(tǒng)可用于核電站的安全監(jiān)視、防空監(jiān)視與報(bào)警、國(guó)家財(cái)政的監(jiān)控、傳染病疫情監(jiān)視及農(nóng)作物病蟲害監(jiān)視與報(bào)警等。黏蟲測(cè)報(bào)專家系統(tǒng)是監(jiān)視專家系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。

專家系統(tǒng)的分類7.控制專家系統(tǒng)(expertsystemforcontrol)控制專家系統(tǒng)的任務(wù)是自適應(yīng)地管理一個(gè)受控對(duì)象或客體的全面行為，使之滿足預(yù)期要求?？刂茖＜蚁到y(tǒng)的特點(diǎn)是：能夠解釋當(dāng)前的情況，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，并控制計(jì)劃的執(zhí)行。也就是說，控制專家系統(tǒng)具有解釋、預(yù)測(cè)、診斷、規(guī)劃和執(zhí)行等多種功能。

專家系統(tǒng)的分類空中交通管制、商業(yè)管理、自主機(jī)器人控制、作戰(zhàn)管理、生產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)質(zhì)量控制等都是控制專家系統(tǒng)潛在的應(yīng)用方面。例如，已經(jīng)對(duì)海、陸、空自主車、生產(chǎn)線調(diào)度和產(chǎn)品質(zhì)量控制等課題進(jìn)行控制專家系統(tǒng)的研究。專家系統(tǒng)的分類8.

調(diào)試專家系統(tǒng)（expertsysytemfordebugging）調(diào)試專家系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)失靈的對(duì)象給出處理的意見和方法。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。專家系統(tǒng)的分類9.教學(xué)專家系統(tǒng)(expertsystemforinstruction)教學(xué)專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)、弱點(diǎn)和基礎(chǔ)知識(shí)，以最適當(dāng)?shù)慕贪负徒虒W(xué)方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和輔導(dǎo)。教學(xué)專家系統(tǒng)的特點(diǎn)是：（1）同時(shí)具有調(diào)試和診斷功能。（2）具有良好的人機(jī)界面。

專家系統(tǒng)的分類已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用的教學(xué)專家系統(tǒng)有美國(guó)麻省理工學(xué)院MACSYMA符號(hào)積分與定理證明系統(tǒng)，我國(guó)一些大學(xué)開發(fā)的計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)課程和物理智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)以及聾啞人語言訓(xùn)練專家系統(tǒng)等。專家系統(tǒng)的分類10.

修理專家系統(tǒng)（expertsystemforrepair）修理專家系統(tǒng)的任務(wù)是對(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。修理專家系統(tǒng)具有診斷、調(diào)試、計(jì)劃和執(zhí)行等功能。專家系統(tǒng)的分類如果按體系結(jié)構(gòu)劃分專家系統(tǒng)可分為四大類：１集中式專家系統(tǒng)２分布式專家系統(tǒng)３神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)４符號(hào)系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的專家系統(tǒng)．分別簡(jiǎn)單解釋如下：專家系統(tǒng)的分類集中式專家系統(tǒng)是指知識(shí)和推理進(jìn)行集中管理的一類專家系統(tǒng)，目前一些成功的專家系統(tǒng)都屬這種類型．在這類專家系統(tǒng)中按知識(shí)及推理的組織方式不同又可分為層次結(jié)構(gòu)、深淺雙層結(jié)構(gòu)、多層聚焦結(jié)構(gòu)及黑板結(jié)構(gòu)等。例如青光眼診治專家系統(tǒng)CASNET就是一個(gè)三層推理結(jié)構(gòu)的例子，其推理模型分為癥狀層、病變層及診斷層。專家系統(tǒng)的分類由癥狀層的癥狀可得知相應(yīng)的病變，由病變可推出是哪種青光眼。深淺雙層結(jié)構(gòu)是指具有深層知識(shí)（問題領(lǐng)域內(nèi)的原理性知識(shí)）及淺層知識(shí)（領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)）這兩個(gè)知識(shí)庫(kù)，并相應(yīng)的有兩個(gè)推理機(jī)，分別用兩個(gè)知識(shí)庫(kù)的知識(shí)進(jìn)行推理，為了協(xié)調(diào)兩個(gè)推理機(jī)的工作，在它們之上建立了一個(gè)控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理。專家系統(tǒng)的分類多層聚焦結(jié)構(gòu)是指知識(shí)庫(kù)中知識(shí)是動(dòng)態(tài)組織的，把當(dāng)前對(duì)推理最有用最有希望推出結(jié)論的知識(shí)稱為焦點(diǎn)，并把它置于聚焦結(jié)構(gòu)的最上層，把有希望入選的知識(shí)放在第二層，如此類推，每個(gè)知識(shí)元所在的層不是固定的，隨著推理的進(jìn)行不斷地調(diào)整，這類知識(shí)多用于框架、對(duì)象表示知識(shí)的系統(tǒng)中。專家系統(tǒng)的分類黑板結(jié)構(gòu)通常用于求解比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，在這類系統(tǒng)中一般有多個(gè)知識(shí)庫(kù)及推理機(jī)，它們通過一個(gè)結(jié)構(gòu)化的公共數(shù)據(jù)區(qū)即黑板來交換信息，語音識(shí)別系統(tǒng)HEARSAY-

首先使用了這一結(jié)構(gòu)．專家系統(tǒng)的分類分布式專家系統(tǒng)是指把知識(shí)庫(kù)或推理機(jī)分布在一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)上，或者兩者同時(shí)進(jìn)行分布的一類專家系統(tǒng)．