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1、计算机专家咨询系统及其建立计算机专家咨询系统及其建立_ _熊范纶熊范纶计算机专家咨询系统及其建立熊范纶何茂彬丁力(中国利学院合肥智能机械研究所)提要本文概述了计算机专象系统的一般原理、组成,应用及其建立,并对建立专家系统的有关间题提出一些看一引言计算机专家咨询系统(简称专家系统)是当前人工智能学科中面向实际应用最为活跃的方面之一。人工智能是计算机科学的一个分支,是研究计算与认识之间的关系的一门学科,是使计算机能完成那些具有人的智能的任务。它的研究内容大致包括:问题求解、知识表示、定理证明、认识模型、专家系统、自然语言理解、学习系统、机器人学、视觉等。它诞生不到30 年,但发展相当迅速,目前已成
2、为信息科学的一个重要内容。国际上许多技术先进的国家都在大力支持人工智能这门学科的发展,尤其.最近几年受到高度重视,美国、英国及西欧均把人工智能列为国家重点研究项目。当今著名的第五代计算机称之为人工智能计算机,它是日本为了超过美国及西方国家于 1982 年提出的耗资庞大的研制计划。最近几届人工智能国际学术联合会议(两年一次)参加人数空前,去年在西德举行的第八届会议,到会者达 1600 多名,有人预计 1985 在美国洛杉矶举行的第九届会议可能多达 350Q 名。笔者曾参加 1982 年在匹兹堡召开的美国第二届全国人工智能会议,与会者 1200 余人,除了学校与研究部门的学者参加之外,来自企业公司
3、、国防单位及政府部门的代表占据相当数量。其原因是人工智能这门曾被人门认为是一门神秘的学科,这些年来已份收到本文的时间是 1985 年 7 月 29 日。经走出实验室,日趋走向实用化,并且这种趋势发展越来越迅速。专家系统、机器人学与视觉、自然语言理解等方面应用是其代表,而其中又以专家系统更为突出,它的应用领域已经渗透到社会的各个方面。以下列举月前正在应用与研制一的一些领域,可略见一斑。 1.医学诊断与处理。2.设备故障诊断。3.生产规划。4.化学结构分析与合成。5.生物工程。6.图象理解。7.石油测井解释与钻井诊断。8.军事电声信号的理解。 9.地质勘探。10.核动力反应堆监视与动作规划。11.
4、计算机软件使用与计算机的配置顾问。12.工厂失败原因诊断石13.财政工作顾问。14,智能计算机辅助设计。:15.智能仪器记录的综合分析。16.智能辅助教学。17.智食旨生产过程控制。18.智能软件开发。19.昆虫分类学。20.农业。21.法律。22.通信线路维修。23.防洪大坝管理、制定防洪计划。24.电子故障检修。34 信息与控制25.军事分析与预测、战略战术的规划。26.飞机的起降管理。27。机械制造业的加工计划。1956 年第 z 期二基本原理与系统组成,J计算机在数值计算与数据处理方面所表现出的惊人能力已为人们所熟知了。近些年来,由于人工智能技术的发展,使得计算机能够具有处理属于人的知
5、识及思维这类范畴的问题的本领,这是计算机应用的一个质的飞跃。建立在知识基础上的专家系统义因此有人又称专家系统为知识基系统)正是这样的一类系统,它是一个问题求解的计算机程序系统,运用人工智能技术依靠计算机程序,来实现某些专业领域的专家所具有解决实际问题的本领。它主要运用人工智能的知识表示技术与问题求解技术,一基本蕴成部分是知识库、推理机构、人机交互卜接口和数据库等,其核心是知识库与推理机构,通常这些部分是彼此独立的。知识库存放着该专业领域求解问题的特定知识。如何把人的知识变换成计算机程序系统所能接受与运用的形式,这称为知识表示技术。 它本身已是人工智能学科中另一个独立的分支,也是目前人工智能研究
6、相当活跃的领域。Barr 与 Feigenbaum 把知识划分成几种形式:、物体对象、事件、_行为特征、元知识。知识表示的方法目前应用较多的有逻辑、产生式规则、语义网络、框架等。逻辑方法是利用形式逻辑的谓词演算从事实进行推理来表示知识,它有“套系统的推理规则。重要特点是能在一定程度上保证比其它有关知识表示方法有正确推演的能力。这样构成的系统称为逻辑基系统。语义网络方法是 Quillian1968 年提出作为人的联想网络的一个心理模型。一个网络由节点和连接组成,节点表示物体、概念及事件,连接表示节点之间的关系,特点是有关一个物体对象和概念的有关事实不必通过一个大的数据库进行搜索,而从直接被连接的
7、节点去推导得到。产生式规则方法是 Newell 与 Simon1972年在建立人的认识模型时引入到人工智能领域的。它是一个模块化的知识表示方法,由众多的称为产生式的规则组成,所以又称这类系统为规则基系统。这种产生式规则是以条件动作或前提结论这样成对的形式:“如果该条件成立,那么做这个动作”或者“如果这个前提成立,那么得到这个结论”来表现的。因为它接近人的思维方法,便于人的理解以及对有着大量知识的系统容易进行修改,所以容易被人们所接受,这种方法已在几个典型的专家系统中应用。(注意:这种规则形式上与计算机语言中的 IF 语句相似,但实质不同,它没有分支,是以一个独立的事实存在的。)框架方法是 19
8、74 年由 Minsky 提出的,它是由一些称作槽位(slot)组成的数据结构,反映着知识预先确定的内部关系。虽然许多学者对框架究竟是什么有不同的看法,但这种方法巳受到重视。上述几种知识表示方法已被成功地应用于某些专家系统或智能程序中。但到目前为止,还没有形成完整的知识表示理论,究竞什么情况下采用哪一种知识表示方法还未有一种固定的结论。一些系统采用某些知识表示技术之所以成功,是因为这些技术较好地反映了该领域中知识的特点。因此一些人工智能学者建议对求解问题的知识作自然的表示为宜,例如机器人视觉关于景物可用数组来表示,数组元素的值表示景物中对应区域的灰度,这对寻找物体对象的边界很方便。在一些利用统
9、计方法进行分类的场合,则采用概率作为知识表示却很有效。有的采用电影脚本(scriPts)这种知识表示来进行自然语言理解的研究。有的采用最小集合覆盖方法,也有的采用假设一测试方法来解决诊断方面的问题,有的则可以在一个系统中采用几种知识表示方法。不能认为一提到专家系统必定都是由几百条规则来构成。关于规则基系统有其优缺点,在不少领域中专家的知识是客观存在着一系列的规则的,将其用产生式规则J 计算机专家咨询系统及其建立来表示知识是恰当的,模块化的规则集合容易修改与扩充,有利于系统的学习与功能的、增加,以及便于显示曾用过的规则,使系统具有强有力的解释说明能力。但是并非任何应用领域以及任何知识都用规则来表
10、示是合适的,有的知识是很难或不可能用规则来表示的。用知识表示方法将专家的知识存放在知识库中后,如何运用这些知识,这是推理机构(又称控制机构)的任务。它是一个特定的计算机程序,在一定的推理机制指导下,根据用户的信息运用知识进行推理判断。一个专家系统采用什么样的推理机制,是与知识表示方法密切相关的。例如一个统计分类的系统,则可用 Bayes 决策理论作为推理机制,根据输入的特定数据,寻找知识库中相应的先验概率与条件概率,去计算它们的后验概率进行分类判决。一个规则基系统则采用前提驱动或结论驱动的推理机制。前提驱动是根据出现的前提去触发对应规则的应用来推断其结论,结论驱动正相反,为了确定某个事实,则去
11、选择以这事实作为结论的规则,然后证实这个规则的前提是否成立。这两种方法也称为正向推理与反向推理。还有把这两方法结合起来的正反向推理。由于人在实际处理问题时,常常运用经验及常识性的知识,除了进行确定性推理外,还常使用一种不确定性的推理。有时事实并不是完全确定的,有时事实确定但结论不肯定,有时连推理本身都不完全肯定。所以不少专家系统除采用精确性推理外,还采用不精确性推理。精确性推理是把知识表示成肯定的因果关系,或是或否,而不精确性推理则在不完全肯定的因果关系中加入一些例如概率统计、模糊理论、确定性因子或可信度函数之类方法,使结论具有某种程度的谁确性。人机交互接口是用户与计算机专家系统进行交往的部分
12、。专家系统通过它向用户提问,并将用户回答的数据、事实及用户的要求、询问传递给系统,以及将中间和最后的结论告诉给用户。用户回答系统的提问可以一个或同时几个回答,甚至可以回答“不知道” 。系统给用户的回答可以有肯定的结论,也可以有几种可能性和每种可能性的可靠程度,以及向用户提出一些建议和进一步的询问。用户可以向系统请求中间或最后结论产生的根据,即专家系统具有着较强的解释能力。总之,这种系统具有相当强的人机交互能力,方便自如,用户犹如在与一个真实的专家进行对话。所以在有的系统中人机交互接口部分所占的比例远远超过知识库与推理机构部分的总和。数据库是存放与用户交互对话中各种初始的与中间的信息。各个系统的
13、结构也不一定相同,有些系统没有把数据库作为独立部分。另外每个专家系统还各自包含有其它功能的组成部分。由于专家系统其知识库独立存在,因此知识易于修改与扩充更新,使得系统具有学习的能力,这是专家系统区别于一般应用程序的地方。一般应用程序在解决特定任务时有其长处,有些具有很好的功能,但比起专家系统来,它们不够注重知识、知识结构与其表示方法,程序调试好后一般不易更改,不象专家系统能解决更复杂、具有智能性的问题。三实例简介表 1 列出一些较有代表性的专家系统。当然,现有的专家系统已远远不止这些。下面扼要介绍其中几个系统。启发式 DENDRAL 是 60 年代中期出现的第一个应用于实际的专家系统,由斯坦福
14、大学研制成功,它从已知化学分析式及其质谱图推导出化合物的分子式。知识表示采用产生式规则,共 100 条。该系统在实际应用中很成功,其性能可以与具有相当水平的专家相比拟。后来又开发了 CONGEN 与 META:DENDRAL 系统,使功能更为完备,目前已经作为商品出售,并已在美英等国的大学与工业界使用。MYCIN 是目前国际上最有影响的专家系统,它是斯坦福大学 70 年代中期研制的。知识信息与控制 1986 年.第工期几个专家系统实例表 1DENDRALDIPMETERADVISORLINTERNISTIRISKMSMACSYMAMOLGENMYCINPIPPROSPECTORPUFF推导化学
15、结构式石油勘探分析电子线路内科诊断医疗诊断神经科诊断解数学间题DNA 结构推断抗菌素治疗咨询肾脏病情处理探矿咨询肺功能诊断表示也是采用产生式规则,76 年是 200 条规则,79 年是 450 条,目前已扩充到 600 多条。它采用不精确反向推理,该系统仍未临床使用,但它的设计思想影响了后来不少系统。用它的思想设计的 PUFF 肺功能诊断系统已在美国太平洋医学中心正常使用。PROSPECToR 系统是斯坦福国际研究所开发,以协助地质学家进行矿藏勘探。它除了采用产生式规则表示外,还采用语义网络的表示技术,系统构思引起人们广泛的注意。该系统已应用于矿床的定位与勘探等方面。PIP 系统是一个处理肾脏
16、患者当前病情的程序系统。知识表示采用框架结构技术,由麻省理工学院研制。该校另一个系统 MAcsYMA是一个大型数学问题求解系统,是 60 年代末建立的最早的专家系统之一,现已通过 ARPA 网络被美国的政府实验室、大学及私人公司的研究者们广泛应用着,它也是计算机辅助教学的有力工具。CASNET 是跟科疾病(青光眼)诊断系统。由 Rutgers 大学开发,它将疾病用观察、病理生理学、疾病类别三个层次来.描述,用一个按因果关系的网络来连接,该系统曾在美国眼科及鼻喉科学术会议上受到很高评价。该校还开发了另一个称为 IRIs 的专家系统,它已应用于青光眼的诊断,一般的医疗知识被表示为语义网络与产生式规则,具体病人的知识则由框架表示,系统采用正向推理。INTERNIsT 系统由匹兹堡大学研制,用于内科医疗咨询。它把疾病知识组成一棵疾病树,在广泛的内科领域进行诊断。AM 系统又叫数学发现程序,由斯坦福大学开发。它是为了提出定理,而不是为了证明定理,是从老的概念中去发现、推导和注意到新的概念。共用 250 条产生式规则来表示有关数学发现的启发式规律,另有 115
