人工智能2012(6ES)解析

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1、模糊逻辑 从集合角度：模糊集合 从逻辑角度：模糊逻辑 中南大学 智能系统与智能软件研究所 第6章 专家系统 6.1 专家系统概述 6.5 新型专家系统 6.2 基于规则的专家系统 6.6 专家系统设计 6.3 基于框架的专家系统 6.7 专家系统开发工具 6.4 基于模型的专家系统 6.8 小结 中南大学 智能系统与智能软件研究所 6.1 专家系统概述 v专家系统(expert system)是人工智能应用 研究最活跃和最广泛的课题之一 v定义：是一个含有大量的某个领域专家水 平的知识与经验智能计算机程序系统，能 够利用人类专家的知识和解决问题的方法 来处理该领域问题 3 6.1 专家系统概述

2、 6.1.1 专家系统特点 专家系统具有一些共同的特点和优点 v专家系统具有下列3个特点： v启发性 v透明性 v灵活性 v专家系统的优点存在八个方面 4 6.1.2 专家系统的类型 v解释专家系统 v预测专家系统 v诊断专家系统 v设计专家系统 v规划专家系统 6.1 专家系统概述 v监视专家系统 v控制专家系统 v调试专家系统 v教学专家系统 v修理专家系统 5 1.解释专家系统 (expert system for interpretation) v任务 通过对已知信息和数据的分析与解释， 确定它们的涵义。 v特点 v数据量很大，常不准确、有错误、不完全 v能从不完全的信息中得出解释，并

3、能对数据 做出某些假设 v推理过程可能很复杂和很长 v例子 语音理解、图象分析、系统监视、化学 结构分析和信号解释等 6.1 专家系统概述 6 2. 预测专家系统 (expert system for prediction) v任务通过对过去和现在已知状况的分析， 推断未来可能发生的情况 v特点 v系统处理的数据随时间变化，且可能是 不准确和不完全 v系统需要有适应时间变化的动态模型 v例子 有气象预报、军事预测等 6.1 专家系统概述 7 3. 诊断专家系统 (expert system for diagnosis) v任务 根据观察到的情况(数据)来推断出某个 对象机能失常(即故障)的原因

4、 v特点 v能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特 性以及它们之间的联系 v能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象 v能够向用户提出测量的数据，并从不确切信 息中得出尽可能正确的诊断 v例子 有医疗诊断等 6.1 专家系统概述 8 4. 设计专家系统 (expert system for design) v任务 寻找出某个能够达到给定目标的动作序列 或步骤 v特点 v从多种约束中得到符合要求的设计 v系统需要检索较大的可能解空间 v能试验性地构造出可能设计，易于修改 v能够使用已有设计来解释当前新的设计 v例子 VAX计算机结构设计专家系统等 6.1 专家系统概述 9 5.规划专家系统 (ex

5、pert system for planning) v任务 寻找出某个能够达到给定目标的动作序 列或步骤 v特点 v所要规划的目标可能是动态的或静态的，需 要对未来动作做出预测 v所涉及的问题可能很复杂 v例子 军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专 家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。 6.1 专家系统概述 10 6.监视专家系统 (expert system for monitoring) v任务 对系统、对象或过程的行为进行不断观 察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进 行比较，以发现异常情况，发出警报 v特点 v系统应具有快速反应能力 v系统发出的警报要有很高的准确性 v系统能够

6、动态地处理其输入信息 v例子 粘虫测报专家系统 6.1 专家系统概述 11 7. 控制专家系统 (expert system for control) v任务 自适应地管理一个受控对象或客体 的全面行为，使之满足预期要求。 v特点 控制专家系统具有解释、预报、诊 断、规划和执行等多种功能。 v例子 空中交通管制、商业管理、自主机 器人控制、作战管理、生产过程控制和生 产质量控制等。 6.1 专家系统概述 12 8. 调试专家系统 (expert system for debugging) v任务 对失灵的对象给出处理意见和方 法 v特点 同时具有规划、设计、预报和诊 断等专家系统的功能 v例子

7、 在这方面的实例还比较少见 6.1 专家系统概述 13 9. 教学专家系统 (expert system for instruction) v特点 v同时具有诊断和调试等功能 v具有良好的人机界面 v例子 MACSYMA符号积分与定理证明系统， 计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助 教学系统等。 6.1 专家系统概述 14 10. 修理专家系统 (expert system for repair) v任务 对发生故障的对象(系统或设备) 进行处理，使其恢复正常工作 v功能 有诊断、调试、计划和执行等功 能 v例子 ACI电话和有线电视维护修理系统 6.1 专家系统概述 15 6.1.3专家系

8、统的结构和建造步骤 v定义：指专家系统各组成部分的构造方 法和组织形式 v专家系统结构图 6.1 专家系统概述 知识库 推理机 专家知识 输入或提问 答案 图6.1专家系统结构简图 16 图6.2则为理想专家系统的结构 图 接口用户 事实 规则 计划 议程 中间解 黑板 知识库 解释器 执行器 调度器 协调器 6.1 专家系统概述 17 一般应用程序与专家系统的区别 一般应用程序专家系统 把问题求解的知识 隐含地编入程序。 把知识组织为两级 ：数据级和程序级。 把其应用领域的问题求 解知识单独组成一个实体。 即为知识库。 将知识组织成三级； 数据、知识库和控制。 6.1 专家系统概述 18 知

9、识化 问题 图6.3建立专家系统的步骤 合法化概念化形式化规则化 知识概念 结构 形式 规则 再设计 改进 重新阐述 2. 专家系统的建造步骤 6.1 专家系统概述 19 建立系统的一般步骤如下： v设计初始知识库 v问题知识化 v知识概念化 v概念形式化 v形式规则化 v规则合法化 v原型机（prototype）的开发与实验 v知识库的改进与归纳 规则 6.1 专家系统概述 20 6.2基于规则的专家系统 知识库 （规则） 工作存储器 （事实） 推理机 1.基于规则的专家系统的工作模型 图6.4 基于规则的工作模型 21 基于规则的专家系统采用下列模块来建立产生 式系统的模型： v知识库 以

10、一套规则建立人的长期存储器模 型 v工作存储器 建立人的短期存储器模型，存 放问题事实和由规则激发而推断出的新事实 v推理机 借助于把存放在工作存储器内的问 题事实和存放在知识库内的规则结合起来， 建立人的推理模型，以推断出新的信息 6.2 基于规则的专家系统 22 2.基于规则专家系统的结构 6.2 基于规则的专家系统 解释器 用户界面开发界面 外部程序工作存储器 推理机 知识库 用户知识工程师 图6.5 基于规则专家系统的结构 23 6.3 基于框架的专家系统 v1. 面向目标编程与基于框架设计 v基于框架的专家系统建立在框架的基础之 上 v基于框架的专家系统采用面向目标编程技 v基于框架

11、的设计和面向目标的编程共享许 多特征 v在设计基于框架系统时，专家系统的设计 者们把目标叫做框架 24 特征 名称 值 侧面 规则目标议程表 人类 男人 女人 约翰李勇 丽达 王红 v类（class） v槽(Slots) v子类（ subclass) v例子 (instances) v规则(rules) v目标议程表 (goal agenda) 2. 基于框架专家系统的结构 6.3 基于框架的专家系统 图6.6 人类的框架分层结构 25 3. 基于框架专家系统的一般设计方法 v基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规 则的专家系统相似。主要差别在于如何看待 和使用知识 v在设计基于框架的专家系统

12、时，把整个问题 和每件事想像为编织起来的事物 v在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来 的方法 v对于任何类型的专家系统，其设计是个高度 交互的过程 6.3 基于框架的专家系统 26 6.4 基于模型的专家系统 1. 基于模型专家系统的提出 v关于人工智能的一个观点 v综合各种模型的专家系统比基于逻辑心理 模型的系统具有更强的功能，从而有可能 显著改进专家系统的设计 v在诸多模型中，人工神经网络模型的应用 最为广泛 27 2. 基于神经网络的专家系统 v神经网络模型从知识表示、推理机制到控 制方式，与目前专家系统中的基于逻辑的 心理模型有本质的区别 v三种神经网络模型与专家系统集成模式 v神经

13、网络支持专家系统 v专家系统支持神经网络 v协同式的神经网络专家系统 6.4 基于模型的专家系统 28 神经网络专家系统的基本结构 6.4 基于模型的专家系统 知识获取 学习 示例 网络 结构 学习 算法 解释器 专家 神经网络用户 知识库推理机 图6.7 神经网络专家系统的基本结构 29 神经网络专家系统的几个问题讨论 v神经网络的知识表示是一种隐式表示 v神经网络通过实例学习实现知识自动获取 v神经网络的推理是个正向非线性数值计算 过程，同时也是一种并行推理机制 v同一知识领域的几个独立的专家系统可组 合成更大的神经网络专家系统 6.4 基于模型的专家系统 30 6.5 新型专家系统 6.

14、5.1 新型专家系统的特征 v并行与分布处理 v多专家系统协同工作 v高级语言和知识语言描述 v具有自学习功能 v引入新的推理机制 v具有自纠错和自完善能力 v 先进的智能人机接口 31 6.5.2 分布式专家系统 v主要目的：把一个专家系统的功能经分解 以后分布到多个处理器上去并行地工作， 从而在总体上提高系统的处理效率。 v可以工作在紧耦合的多处理器系统环境中 ，也可工作在松耦合的计算机网络环境里 ，所以其总体结构在很大程度上依赖于其 所在的硬件环境。 6.5 新型专家系统 32 设计和实现分布式专家系统，需要解 决的问题： v功能分布 把分解得到的系统各部分功能或 任务合理均衡地分配到各

15、处理节点上去 v知识分布 根据功能分布的情况把有关知识 经合理划分以后分配到各处理节点上。 v接口设计 各部分间接口的设计目的是要达 到各部分之间互相通讯和同步容易进行 v系统结构 一方面依赖于应用的环境与性质 ，另一方面依赖于其所处的硬件环境 v驱动方式 可供选择的几种驱动方式(1) 控 制驱动(2) 数据驱动(3) 需求驱动(4) 事件 驱动 6.5 新型专家系统 33 6.5.3 协同式专家系统 v一般专家系统解题的领域面很窄 v协同式多专家系统是克服一般专家系统 的局限性的一个重要途径。 v协同式多专家系统亦可称“群专家系统 ” 6.5 新型专家系统 34 设计与建立一个协同式多专家系

16、统，需要 解决的问题： v任务的分解 v公共知识的导出 v讨论方式 v驱动方式 6.5 新型专家系统 35 6.6 专家系统设计 以设计一个基于规则的维修咨询系统为例， 说明专家系统的设计过程。这一过程包括描 述专家知识、应用知识和解释决策等。 v专家知识的描述 v知识的使用和决策解释 36 6.6.1专家知识的描述 v结论的表示 结论规定了所涉及专门知识 的范围 v观测的表示 观测是得到结论所需要的观 察或量测结果 v推理规则的表示 产生式规则是决策规则 最为常用的表示形式可根据观测和假设之 间的逻辑关系分成3类： (1) FF规则)(2) FH规则 (3) HH规则 6.6 专家系统设计 37 6.6.2 知识的使用和决策解释 v结论的分级与选择 v询问问题的策略 v固定的顺序 v根据具体情况作出某种选择 v决策的