人工智能幻灯片8之专家系统1

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1、1,7.5.1 专家系统的建造原则 (1)恰当地划定求解问题的领域 系统的设计目标 领域专家的知识面及水平 (2)获取完备的知识 完备的知识指其数量能满足问题求解的需要，质量上要保证知识的一致性以及完整性。 (3)知识库与推理机分离：可实现正向、逆向、混合推理。,7.5 专家系统设计与实现,2,(4)选择、设计合适的知识表示模式： 充分考虑领域知识的特点，表示模型与推理模型统筹。 (5)推理应能模拟领域专家求解问题的思维过程。 (6)建立友好的交互环境。 (7)渐增式的开发策略。,7.5 专家系统设计与实现,7.5 专家系统设计与实现,7.5.2 一般步骤与方法 由于专家系统也是一种计算机应用

2、系统，所以，一般说来，其开发过程也要遵循软件工程的步骤和原则，即也要进行系统分析、系统设计等几个阶段的工作。但又由于它是专家系统，而不是一般的软件系统，所以，又有其独特的地方。如果我们仅就“纯专家系统”而言，则其设计与实现的一般步骤可如图所示。,由图可以看出，专家系统的开发有如下特点： (1)知识获取与知识表示设计是一切工作的起点； (2)知识表示以及知识描述语言确定后，各项设计（图中并列的六个设计）可同时进行。 还需说明的是： (1)对于一个实际的专家系统，在系统分析阶段就应该首先弄清楚：系统中哪里需要专家知识，专家知识的作用是什么？以及系统中各专家模块的输入是什么？处理是什么？输出又是什么

3、？,7.5 专家系统设计与实现,(2)系统投入运行后，一般来说，其知识库还需不断扩充、更新、完善和优化。所以专家系统的开发更适合采用快速原型法。 (3)对系统的评价主要看它解决问题是否达到专家水平。 (4)上述的所谓“纯专家系统”就是一个实际专家系统中的专家模块部分。那么，对于系统其他部分的分析与设计，原则上讲，与一般计算机应用系统完全一样，即可按软件工程规范和程序进行。,7.5 专家系统设计与实现,7.5.3 知识获取,7.5 专家系统设计与实现,知识获取是建造专家系统的关键一步，也是较为困难的一步，被称为建造专家系统的“瓶颈”。,目前，专家系统的知识获取一般是由知识工程师与专家系统中的知识

4、获取机构共同完成的。 至今仍无一种可以完全代替知识工程师的自动化方法。,7,知识获取的基本任务是为专家系统获取知识，建立起健全、完善、有效的知识库，以满足领域问题求解的需求。为此，需要做以下几项工作。 抽取知识 知识的转换 知识的输入 知识的检测,7.5 专家系统设计与实现,1、知识获取的基本任务,8,抽取知识是指把蕴含于知识源（领域专家、书本、相关论文、经验数据）中的知识经识别、理解、筛选、归纳等处理后抽取出来，以便用于知识库的建立。 通常，知识并不是以某种现成的形式存在于知识源中的。例如，对领域专家往往缺少对自己经验的总结与归纳，甚至是只可意会不可言传的。 另一方面，系统能够在自身的运行实

5、践中通过机器学习功能从已有知识或实例中演绎、归纳出新知识，系统自身必须具有一定的“学习”能力。,1）. 抽取知识,7.5 专家系统设计与实现,9,通常，知识是以自然语言、图形、表格等形式表示的，而知识库中的知识则是用计算机能够识别的形式来表示的，二者之间有很大差别。 把抽取的知识转换为某种知识表示形式（知识工程师）。 把该模式的知识转换为系统内部形式（输入编译）。,2）. 知识的转换,7.5 专家系统设计与实现,10,把用某种知识表示方法表示的知识经编辑、编译送入知识库的过程称为知识输入。 知识的输入一般有两条途径： 利用计算机系统提供的编辑软件。 优点是简单、方便，无须编制专门程序即可直接使

6、用。 利用专门编制的知识编辑系统。 优点是针对性、实用性强，更符合知识输入的要求。,3）. 知识的输入,7.5 专家系统设计与实现,11,在上述建立知识库的过程中，无论哪一步出现错误，都会直接影响到专家系统的性能。因此，必须对知识库进行检测，以便尽早发现和纠正可能出现的错误。检测的主要任务是知识库中知识的一致性和完整性。,4）. 知识的检测,7.5 专家系统设计与实现,12,首先由知识工程师从领域专家或其他知识源获取知识 然后再由知识工程师用某种知识编辑软件把它送到知识库中。,知识 工程师,知识 编辑器,阅读,知识库,对话,科技文献 领域专家,2.人工获取 人工获取，即计算机人员（或知识工程师

7、）与领域专家合作，对有关领域知识和专家知识，进行挖掘、搜集、分析、综合、整理、归纳，然后以某种表示形式存入知识库。,7.5 专家系统设计与实现,13,3、自动知识获取 所谓自动知识获取是指系统自身具有获取知识的能力，它不仅可以直接与领域专家对话，从专家提供的原始信息中“学习”专家系统所需要的知识，而且还能从系统运行实践中总结、归纳出新的知识，发现和改正自身存在的错误，并通过不断地自我完善，使知识库逐步趋于完整一致。,7.5 专家系统设计与实现,自动获取又可分为两种形式：一种是系统本身具有一种机制，使得系统在运行过程中能不断地总结经验，并修改和扩充自己的知识库；另一种是开发专门的机器学习系统，让

8、机器自动从实际问题中获取知识，并填充知识库。,4.半自动获取 半自动获取，即利用某种专门的知识获取系统，采取提示、指导或问答的方式，帮助专家提取、归纳有关知识，并自动记入知识库。,7.5.4 知识表示与知识描述语言设计 知识表示与知识描述语言设计是根据所获得知识的特点，选择或设计某种知识表示形式，并为这种表示形式设计相应的知识描述语言。所谓知识描述语言，就是知识的具体语法结构形式。所以，知识描述语言既要面向人、面向用户，又要面向知识表示、面向机器，还要面向推理、面向知识运用。这就要求知识描述语言既能为用户提供一种方便、易懂的外部知识表达形式，又能将这种外部表示转换成容易存储、管理、运用的内部形

9、式。,7.5 专家系统设计与实现,7.5.5 知识库与知识库管理系统设计 知识库是专家系统的核心。知识库的质量直接关系到整个系统的性能和效率。因此，知识库涉及知识的组织与管理。知识的组织决定了知识库的结构，知识的管理包括知识库的建立、删除、重组及维护和知识的录入、查询、更新、优化等，还有知识的完整性、一致性、冗余性检查和安全保护等方面的工作。知识管理由知识库管理系统负责。,7.5 专家系统设计与实现,1.知识库设计 知识库设计主要是设计知识库的结构，即知识的组织形式。专家系统（或知识工程）中所涉及的知识库，一般取层次结构或网状结构模式。这种结构模式是把知识按某种原则进行分类，然后分块分层组织存

10、放，如按元知识、专家知识、领域知识等分层组织；而每一块和每一层还可以再分块分层。这样，整个知识库就呈树型或网状结构。例如，图714所示的就是一个医疗诊断知识库的层次结构。,7.5 专家系统设计与实现,图714 医疗诊断知识库层次结构,7.5 专家系统设计与实现,2.知识库管理系统设计 知识库管理系统应包括知识一级和知识库一级的各种管理功能。 1)知识操作功能设计 知识操作功能包括知识的添加、删除、修改、查询和统计等。这些功能可采用两种方法来实现。一种方法就是利用屏幕窗口，通过人机对话方式实现知识的增、删、改、 查等；另一种方法就是用全屏幕编辑方式，让用户直接用键盘按知识描述语言的语法格式编辑知

11、识。,7.5 专家系统设计与实现,2)知识检查功能设计 知识检查包括知识的一致性、完整性、冗余性等检查。,7.5 专家系统设计与实现,导致知识库不健全的因素有 领域专家提供的知识中存在某些不一致，不完整、甚至错误的知识。 知识工程师未能准确、全面地理解领域专家的意图，影响到知识的一致性及完整性。 采用的知识表示模式不适当，不能把领域知识准确地表示出来。 对知识库进行增删改时未充分考虑到可能产生的影响，操作后导致数据库出现不完备情况。,21,指知识库中存在多余的知识或存在多余的约束条件。 等价规则：r1:IF P AND Q THEN R r2:IF Q AND P THEN R r1与r2有一

12、条是多余的，应从知识库中删去。 冗余规则链：两条规则链中第一条规则的条件相同，且最后一条规则的结论等价 例： r1:IF P THEN Q r2:IF Q THEN R r3:IF P THEN S r4:IF S THEN R,7.5 专家系统设计与实现,7.5 专家系统设计与实现,A. 知识冗余,22,冗余条件：如果两条规则有相同的结论，但一条规则中的某个子条件在另一条规则的前提条件中被否定，而其它子条件保持一致，则称这两条规则具有多余的条件 例 r1:IF P AND Q THEN R r2:IF P AND Q THEN R Q与Q都是多余的，规则库中删去r1、r2， 增加 IF P

13、THEN R,7.5 专家系统设计与实现,23,2. 矛盾,矛盾：两条产生式规则或规则链在相同条件下得到的结论互斥，或它们虽有相同的结论，但规则强度不同。 例 1 r1:IF P THEN Q1 若Q1=Q2, r2:IF P THEN Q2 则r1与r2矛盾 例 2 r1:IF P THEN Q r2:IF Q THEN R 规则链初始条件P， r3:IF R THEN S1 若S1=S2,则两条链矛盾 r4:IF P THEN T r5:IF T THEN S2,7.5 专家系统设计与实现,B、矛盾,24,例 3：r1:IF P THEN Q (CF1) r2:IF P THEN Q (C

14、F2) 前提与结论相同，但CF1CF2 规则强度所以r1与r2矛盾,7.5 专家系统设计与实现,25,从属：规则r1与r2有相同的结论，但r1比r2要求更多的约束条件，则称r1是r2的从属规则。 r1:IF P AND Q THEN R r2:IF Q THEN R r1从属r2，留那条请专家裁定。,7.5 专家系统设计与实现,C. 从属,26,D. 环路,环路：一组规则形成一条循环连时，它们构成一个环路： r1:IF P THEN Q r2:IF Q THEN R r3:IF R THEN S r4:IF S THEN P 环路可使推理陷入死循环。 应征求专家意见修改或其中一条规则，破坏环路

15、形成的条件。,7.5 专家系统设计与实现,例如，小王的身高x米，则必须满足：x3米；又如，弟弟今年x岁，哥哥今年y岁，则必须满足xy。否则就破坏了知识的完整性。,7.5 专家系统设计与实现,不完整：指知识库中的知识不完全，不能满足预先定义的约束条件：推不出结论，或推出结论不对。,E、不完整,3) 知识库操作设计 知识库操作包括知识库（文件）的建立、删除、分解、合并等。这里着重要说明的是知识库的分解与合并。这两种功能类似于关系数据库的投影、选择和连接操作，它们实现的是知识库的重组。我们说，知识库的重组也是可能甚至是必要的。因为随着系统的运行，可能会发现原先的知识组合不合理，因此就需要重新组合，这

16、时就需要使用知识库的分解与合并功能。,7.5 专家系统设计与实现,7.5.6 推理机与解释功能设计 1.从哪里着手 ; 推理机是与知识库对应的专家系统的另一重要部件。推理机的推理是基于知识库中的知识进行的。所以，推理机就必须与知识库及其知识相适应、相配套。具体来讲，就是推理机必须与知识库的结构、层次以及其中知识的具体表示形式等相协调、相匹配。否则，推理机与知识库将无法接轨。因此，设计推理机时，首先得对知识库有所了解。,7.5 专家系统设计与实现,2. 还应考虑些什么 对推理机本身而言，还要考虑推理的方式、方法和控制策略等。例如，对于推理方式，是正向推理，还是反向推理或双向推理？是精确推理，还是不精确推理？是串行推理，还是并行推理？是单调推理，还是非单调推理？又如，对于推理方法，是用归结法，还是用自然演绎法？对于不精确推理采用什么样的推理模型？还有，对于搜索控制，是采用深度优先还是广度优先，对于冲突消解是依据优先数，还是可信度或程度（即隶属度）等等。,7.5 专家系统设计与实现,3. 算法设计与程序设计 做了上述的分析以后，就可着手设计推