第4章-人工智能與智能控制理論-專家系統(tǒng)

人工智能與智能控制理論——專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)概要——定義專家系統(tǒng)定義為：使用人類專家推理的計(jì)算機(jī)模型來處理現(xiàn)實(shí)世界中需要專家作出解釋的復(fù)雜問題，并得出與專家相同的結(jié)論。專家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，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。專家系統(tǒng)是一個(gè)具有的專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題。專家系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）具有專家水平的專門知識(shí)（2）能有效地推理（3）具有獲取知識(shí)的能力（4）具有靈活性（5）具有透明性（6）具有交互性（7）具有實(shí)用性（8）具有一定的復(fù)雜性及難度專家系統(tǒng)應(yīng)該具備以下四個(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。專家系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)它提高了決策質(zhì)量削減咨詢專家的費(fèi)用，以解決問題它為狹窄的專業(yè)領(lǐng)域的問題提供快速有效的解決方案它可以收集稀缺的專業(yè)知識(shí)并有效地使用它為重復(fù)性問題提供一致的答案保持重要的信息水平幫助用戶獲得快速準(zhǔn)確的答案對(duì)決策的正確解釋能夠解決復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的問題專家系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作，而不會(huì)感到情緒化，緊張或疲勞專家系統(tǒng)中的推理機(jī)實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)通常包括6個(gè)部分：人機(jī)交互界面、知識(shí)庫、綜合數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、解釋器、知識(shí)獲取。專家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫和推理機(jī)構(gòu)成，專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。專家系統(tǒng)中的推理機(jī)實(shí)現(xiàn)知識(shí)表達(dá)技術(shù)-規(guī)則任何規(guī)則都包括兩個(gè)部分：IF部分和THEN部分。IF部分是前項(xiàng)（某一領(lǐng)域推理結(jié)果的前提或者條件），THEN部分是后項(xiàng)（結(jié)論或者行為）。一般來說，前提之間可以使用關(guān)鍵詞AND（合?。?、OR（析取）或者兩者混合使用。不過，最好在同一規(guī)則中避免使用合取和析取。專家系統(tǒng)中的推理機(jī)實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的主要參與者預(yù)測(cè)型：根據(jù)對(duì)象的過去和現(xiàn)在情況來推斷對(duì)象的未來演變結(jié)果。診斷型：根據(jù)輸入信息來找到對(duì)象的故障和缺陷。維修型：指定并實(shí)施糾正某類故障的規(guī)劃。設(shè)計(jì)型：根據(jù)給定要求形成所需方案和圖樣。監(jiān)護(hù)型：完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)?？刂菩停和瓿蓪?shí)施控制任務(wù)。專家系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟（1）知識(shí)庫的設(shè)計(jì)①確定知識(shí)類型：敘述性知識(shí)，過程性知識(shí)，控制性知識(shí)；②確定知識(shí)表達(dá)方法；③知識(shí)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)規(guī)則的保存、編輯、刪除、增加、搜索等功能。（2）推理機(jī)的設(shè)計(jì)①選擇推理方式；②選擇推理算法：選擇各種搜索算法，如深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索等。（3）人─機(jī)接口的設(shè)計(jì)①設(shè)計(jì)“用戶─專家系統(tǒng)接口”：用于咨詢理解和結(jié)論解釋；②設(shè)計(jì)“專家─專家系統(tǒng)接口”：用于知識(shí)庫擴(kuò)充及系統(tǒng)維護(hù)。知識(shí)表達(dá)方式選擇知識(shí)獲取專家系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)知識(shí)庫的初步設(shè)計(jì)推理算法開發(fā)試驗(yàn)知識(shí)庫的改進(jìn)推廣人機(jī)接口設(shè)計(jì)使用專家系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景解釋（Interpretation）－如測(cè)試肺部測(cè)試（如PUFF）。預(yù)測(cè)（Prediction）－如預(yù)測(cè)可能由黑蛾所造成的玉米損失（如PLAN）。診斷（Diagnosis）－如診斷血液中細(xì)菌的感染（MYCIN）。又如診斷汽車柴油引擎故障原因之CATS系統(tǒng)。故障排除（FaultIsolation）－如電話故障排除系統(tǒng)ACE。設(shè)計(jì)（Design）－如專門設(shè)計(jì)小型馬達(dá)彈簧與碳刷之專家系統(tǒng)MOTORBRUSHDESIGNER。規(guī)劃（Planning）－就出名的有輔助規(guī)劃IBM計(jì)算機(jī)主架構(gòu)之布置，重安裝與重安排之專家系統(tǒng)CSS，以及輔助財(cái)物管理之PlanPower專家系統(tǒng)。監(jiān)督（Monitoring）－如監(jiān)督IBMMVS操作系統(tǒng)之YES/MVS。除錯(cuò)（Debugging）－如偵查學(xué)生減法算術(shù)錯(cuò)誤原因之BUGGY。專家系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景修理（Repair）－如修理原油儲(chǔ)油槽之專家系統(tǒng)SECOFOR。行程安排（Scheduling）－如制造與運(yùn)輸行稱安排之專家系統(tǒng)ISA。又如工作站（workshop）制造步驟安排系統(tǒng)。教學(xué)（Instruction）－如教導(dǎo)使用者學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)之TVC專家系統(tǒng)。控制（Control）－幫助DigitalCorporation計(jì)算機(jī)制造及分配之控制系統(tǒng)PTRANS。分析（Analysis）－如分析油井儲(chǔ)存量之專家系統(tǒng)DIPMETER及分析有機(jī)分子可能結(jié)構(gòu)之DENDRAL系統(tǒng)。它是最早的專家系統(tǒng)，也是最成功者之一。維護(hù)（Maintenance）－如分析電話交換機(jī)故障原因之后，及能建議人類該如何維修之專家系統(tǒng)COMPASS。架構(gòu)設(shè)計(jì)（Configuration）－如設(shè)計(jì)VAX計(jì)算機(jī)架構(gòu)之專家系統(tǒng)XCON以及設(shè)計(jì)新電梯架構(gòu)之專家系統(tǒng)VT等。校準(zhǔn)（Targeting）－例如校準(zhǔn)武器如何工作專家系統(tǒng)的在烹飪機(jī)器人中的應(yīng)用烹飪專家系統(tǒng)包括的模塊：烹飪知識(shí)庫模塊、烹飪數(shù)據(jù)庫模塊、推理模塊、執(zhí)行模塊及用戶界面模塊，用戶界面模塊烹調(diào)設(shè)備包括：控制系統(tǒng)、投料機(jī)構(gòu)邏輯控制系統(tǒng)、出菜控制機(jī)構(gòu)、攪拌控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、鍋具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、火候控制系統(tǒng)以及上述烹飪專家系統(tǒng)分級(jí)遞階智能控制大型復(fù)雜系統(tǒng)系統(tǒng)階次高、子系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)目標(biāo)多且目標(biāo)間又可能相互沖突等，常采用分級(jí)遞階智能控制的形式。目前已經(jīng)應(yīng)用的兩種分級(jí)遞階控制理論，兩種理論在遞階結(jié)構(gòu)上有聯(lián)系?；谥R(shí)描述/數(shù)學(xué)解析的混合多層智能控制理論(Villa)，精度隨智能提高而降低的分級(jí)遞階智能控制理論(Saridis)。分級(jí)遞階自組織控制的基本原理與基本結(jié)構(gòu)智能控制就是能在適應(yīng)環(huán)境變化的過程中模仿人和動(dòng)物所表現(xiàn)出來的優(yōu)秀控制能力（動(dòng)覺智能）的控制。智能控制是人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)交叉的產(chǎn)物?？刂频囊蟆⑷斯ぶ悄艿姆椒ê陀?jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)構(gòu)成了智能控制發(fā)展的基礎(chǔ)。智能控制理論自被提出以來，已逐漸形成了：分級(jí)遞階自組織控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和仿人智能控制等方向。Saridis提出的分級(jí)遞階智能控制理論按照IPDI的原則分級(jí)管理系統(tǒng)，它由組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)、執(zhí)行級(jí)三級(jí)組成的。分級(jí)遞階自組織控制的基本原理與基本結(jié)構(gòu)組織級(jí)代表控制系統(tǒng)的主導(dǎo)思想，并由人工智能起控制作用。根據(jù)貯存在長期存儲(chǔ)內(nèi)的本原數(shù)據(jù)集合，組織器能夠組織絕對(duì)動(dòng)作、一般任務(wù)和規(guī)則的序列。換句話說，組織器作為推理機(jī)的規(guī)則發(fā)生器，處理高層信息，用于機(jī)器推理、規(guī)劃、決策、學(xué)習(xí)（反饋）和記憶操作。遞階智能機(jī)器的結(jié)構(gòu)描述——組織級(jí)分級(jí)遞階自組織控制的基本原理與基本結(jié)構(gòu)對(duì)于給定的外部命令和任務(wù)，設(shè)法找到能完成該任務(wù)的子任務(wù)組合將子任務(wù)的要求送到協(xié)調(diào)級(jí)遞階智能機(jī)器的結(jié)構(gòu)描述——組織級(jí)最后對(duì)任務(wù)執(zhí)行的結(jié)果進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果逐級(jí)向上反饋，同時(shí)對(duì)以前存儲(chǔ)的信息加以修改，起到機(jī)器學(xué)習(xí)的作用。即完成推理、規(guī)劃、決策、學(xué)習(xí)和記憶操作。分級(jí)遞階自組織控制的基本原理與基本結(jié)構(gòu)組織級(jí)算法執(zhí)行下列功能：接收指令，并對(duì)它進(jìn)行推理。推理表示把不同的本原活動(dòng)和規(guī)則與所接收的指令聯(lián)系起來，并在概率上估計(jì)每個(gè)活動(dòng)。規(guī)劃：對(duì)活動(dòng)的操作。完成一規(guī)劃所需的活動(dòng)次序及插入的重復(fù)本原事件。傳遞矩陣和傳遞概率用于排列動(dòng)作次序和估算它們的總概率。決策選擇最有希望的規(guī)劃。用學(xué)習(xí)算法，由反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)概率的更新（完成和估計(jì)每項(xiàng)任務(wù)之后）。記憶交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)存在長時(shí)存儲(chǔ)器內(nèi)信息的更新。遞階智能機(jī)器的結(jié)構(gòu)描述——組織級(jí)分級(jí)遞階自組織控制的基本原理與基本結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)級(jí)為一中間結(jié)構(gòu)，承上啟下。作為組織級(jí)與執(zhí)行級(jí)的界面把組織信息發(fā)送至執(zhí)行級(jí)。協(xié)調(diào)級(jí)由一定數(shù)目的協(xié)調(diào)器組成。每個(gè)協(xié)調(diào)器與分配器均存在雙向聯(lián)系，協(xié)調(diào)器之間沒有直接聯(lián)系。分配器的功能：通信功能、任務(wù)處理功能（對(duì)要執(zhí)行的任務(wù)識(shí)別，為相應(yīng)的協(xié)調(diào)器選擇合適的控制步驟）、學(xué)習(xí)能力（根據(jù)不斷執(zhí)行任務(wù)取得的經(jīng)驗(yàn)逐漸減小決策過程的不確定性）。遞階智能機(jī)器的結(jié)構(gòu)描述——協(xié)調(diào)級(jí)分級(jí)遞階自組織控制的基本原理與基本結(jié)構(gòu)來自執(zhí)行級(jí)的具體硬件(執(zhí)行裝置)與協(xié)調(diào)器相連。指令由相應(yīng)的協(xié)調(diào)器發(fā)送至執(zhí)行裝置時(shí)，就執(zhí)行規(guī)定好的任務(wù)。協(xié)調(diào)級(jí)不具有組織級(jí)那樣的推理能力，其智能與盡可能好地執(zhí)行組織器的規(guī)劃有關(guān)。遞階智能機(jī)器的結(jié)構(gòu)描述——協(xié)調(diào)級(jí)分級(jí)遞階自組織控制的基本原理與基本結(jié)構(gòu)遞階智能控制的最底層，又稱控制級(jí)，直接控制局部過程并完成子任務(wù)，要求具有較高的精度但較低的智能，對(duì)相關(guān)過程執(zhí)行適當(dāng)?shù)目刂谱饔?。遞階智能機(jī)器的結(jié)構(gòu)描述——執(zhí)行級(jí)IPDI的原則——精度隨智能提高而降低IPDI——IncreasingPrecisionwithDecreasingIntelligence分級(jí)遞階自組織控制的基本原理與基本結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)是將復(fù)雜系統(tǒng)的決策問題進(jìn)行縱橫向分解。遞階控制的基本原理是把總體問題P分解成有限數(shù)量的子問題pi?？傮w問題P的目標(biāo)應(yīng)使復(fù)雜系統(tǒng)的總體準(zhǔn)則取得極值。設(shè)pi是對(duì)子問題求解時(shí)，不考慮各子問題間存在關(guān)聯(lián)時(shí)的解，則[p1、p2，……，pn]的解→P的解遞階控制的一般原理實(shí)際上，各子系統(tǒng)（子問題）間存在關(guān)聯(lián)，因而產(chǎn)生沖突(也稱耦合作用)。故引進(jìn)一個(gè)干預(yù)向量或協(xié)調(diào)參數(shù)，解決由于關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的沖突。用pi（λ）代替pi，可得[p1（λ）、p2（λ），……，pn（λ）]

P的解。遞階控制中的協(xié)調(diào)問題就是要選擇λ，從某個(gè)初值λ0經(jīng)過迭代達(dá)到終值λ*，從而使遞階控制達(dá)到最優(yōu)。分級(jí)遞階自組織控制的基本原理與基本結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)控制時(shí)，多數(shù)基于以下兩個(gè)基本原則：遞階控制的一般原理（1）關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)原則協(xié)調(diào)器預(yù)測(cè)各子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)輸入輸出變量，下層的各決策單元根據(jù)預(yù)測(cè)的關(guān)聯(lián)變量求解各自的決策問題，然后把達(dá)到的性能指標(biāo)值送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再修正關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)值，直到總體目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)為止，這種協(xié)調(diào)模式為直接干預(yù)模式；（2）關(guān)聯(lián)平衡協(xié)調(diào)原則又稱目標(biāo)協(xié)調(diào)法。下層的各決策層單元在求解各自的優(yōu)化問題時(shí)，把關(guān)聯(lián)變量當(dāng)作獨(dú)立變量來處理，即不考慮關(guān)聯(lián)的約束條件，而依靠協(xié)調(diào)器的干預(yù)信號(hào)來修正各決策單元的優(yōu)化指標(biāo)，以保證最后關(guān)聯(lián)約束得以滿足。分級(jí)遞階自組織控制的應(yīng)用全自主移動(dòng)機(jī)器人分層遞階控制全自主移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究與應(yīng)用的發(fā)展方向，其所處環(huán)境大多為復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，需要機(jī)器人具備穩(wěn)定的機(jī)械性能，高效的機(jī)動(dòng)性能、強(qiáng)大的環(huán)境感知能力和快速的反應(yīng)能力。因此，這類機(jī)器人一般都配備多種外部傳感器組成的復(fù)雜感覺系統(tǒng)以全面地獲取環(huán)境信息。同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)也朝著仿