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1、2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,1,第7章 专家系统,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,2,第7章 专家系统,7.1 专家系统概述 7.2 专家系统的结构与工作原理 7.3 专家系统的产生式表示 7.4 专家系统的开发与建造 7.5 专家系统的评价 7.6 专家系统的开发工具 7.7 分布式专家系统与协同式专家系统 7.8 专家系统举例,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,3,7.1 专家系统概述,迄今为止，关于什么是专家系统，目前尚无一个十分确切的定义。 其一般公认定义：专家系统是一个具有智能的程序系统，其内部具有大量的专家水平的知识与经验；该
2、系统能利用专家的知识与推理方法来解决专门领域的问题；它能对自身所得出的结论做出清楚、明晰、合理的解释。 简单地说，能够向用户提供关于某一领域中专家水平的决策与解释的智能模拟系统，称为专家系统。 专家系统作为专家的功能主要是应用了人工智能领域的相关技术。,7.1.1 什么是专家系统？,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,4,现实中有许多问题，都要依靠专门领域的专家来解决。专家对问题的推理和决策，除了依据他们的学识外，还要取决于个人实践经历中积累的经验和练就的直觉方法。其中，包括一些不确定的知识，从而以专家的决断，对问题给出权威的解答。 一个专家系统必须满足的基本条件是： 专家系统处
3、理的是现实世界中原本应由专家分析和判断的复杂问题； 专家系统解决问题的模型和方案来自于专家的经验和推理方法； 专家系统应该得到和专家一致的判断结论与决策。 本质上，专家系统只是一个高级的计算机智能程序系统。,7.1.1 什么是专家系统？,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,5,专家系统（Expert System)亦称专家咨询系统，它是一种智能计算机(软件)系统。顾名思义，专家系统就是能像人类专家一样解决困难、复杂的实际问题的计算机(软件)系统。 对比专家，则专家系统也应具备以下四个要素： (1) 应用于某专门领域； (2) 拥有专家级知识； (3) 能模拟专家的思维； (4)
4、能达到专家级水平。,7.1.1 什么是专家系统？,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,6,同一般的计算机应用系统（如数值计算、数据处理系统等）相比，专家系统具有下列性能： (1)具有高性能。现实世界中，以数学化公式为核心的知识仅约占8%，大部分问题都是非数学化的知识。专家系统善于解决那些不确定性的、非结构化的、没有算法解或虽有算法解但在现有的机器上无法实施的高难问题。,7.1.2 专家系统的性能,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,7,(2)具有知识与实用性。 从处理问题的方法看，专家系统则是靠知识和推理来解决问题（不像传
5、统软件系统使用固定的算法来解决问题），所以，专家系统是基于知识的智能问题求解系统。其次， 许多经典的人工智能程序往往是从纯学术技术目的出发研制的一种实验性研究工具，而专家系统解决的是人们在生产实践、科学研究、产品设计以及其它领域的实际问题，更多地强调实用。,7.1.2 专家系统的性能,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,8,(3)具有灵活性及可扩充性。 从系统的结构来看，专家系统则强调知识与推理的分离，因而系统具有很好的灵活性和可扩充性。其灵活性还表现为：由于知识库与推理机分离，使人们可把一个技术上成熟的专家系统变为一个专家系统工具，即只要抽去知识库中的知识
6、就可使它变为一个专家系统外壳。当要建立另外一个其功能与之类似的专家系统时，只要把相应的知识装入到该外壳的知识库中就可以了。这就节省了耗时费工的开发工作。事实上，目前有一些专家系统开发工具就是这样得来的。例如，由专家系统MYCIN得到的构造工具EMYCIN；由PROSPECTOR得到的ES外壳KAS等。,7.1.2 专家系统的性能,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,9,(4)具有透明性。专家系统必须具有解释功能，能回答用户提出的问题，向用户解释它的决策动机和结论的推理过程，使用户能清楚地了解系统处理问题正确性，通过增强系统的透明度而取信于用户。例如，一个医疗诊断专家系统诊断某病人
7、患有肺炎，而且必须用某种抗生素治疗，那么，这一专家系统应向病人解释为什么判断他患有肺炎，解释用该抗生素治疗的原因，就像一位医疗专家对病人详细解释病情一样。,7.1.2 专家系统的性能,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,10,(5)具有自学习及自修正能力。有些专家系统还具有“自学习”能力，即不断对自己的知识进行扩充、完善和提炼。专家系统还能随时修正已有的知识或归纳出新的知识，适应新情况的需要，这一点是传统系统所无法比拟的。 (6)具有专业和长效性。专家系统大量使用的是专家级水平的专门领域所谓“深知识”来决策，而不是一般系统那样多使用常识性知识，即所谓“浅知识
8、”；专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘，易受环境、情绪等的影响，它可始终如一地以专家级的高水平求解问题。,7.1.2 专家系统的性能,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,11,7.1.3 专家系统的特点与研究意义,表7-1 专家系统特点及与传统程序的区别,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,12,研究专家系统的意义还在于: 专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘，易受环境、情绪的影响，它可始终如一地以专家级的高水平求解问题。因此，从这个意义上讲，专家系统可以超过专家本人。 专家系统便于保存和大面积推广各种专家的宝贵知识，更有效地发挥各种专业人才的作用，
9、克服人类专家供不应求的矛盾。专家系统还可以综合许多专家的知识和经验，从而博采众长。专家系统作为一种计算机系统，便于发挥计算机快速、准确的优势，在某些方面比专家更可靠、更灵活，可以不受时间、地域及人为因素的影响。 另外，由于专家系统具有解释功能，系统设计者和领域专家就可方便地找出系统隐含的错误，便于对系统进行维护。,7.1.3 专家系统的特点与研究意义,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,13,1.按用途分类 按用途分类，专家系统可分为：诊断型、解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型等几种类型。 2.按输出结果分类 按输出结果分类，专家系统可分
10、为分析型和设计型。,7.1.4 专家系统的分类,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,14,3.按知识分类 知识可分为确定性知识和不确定性知识，所以，按知识分类，专家系统又可分为精确推理型和不精确推理型（如模糊专家系统）。 顺便指出，关于知识处理的技术和方法已形成一个称为“知识工程”（Knowledge Engineering）的学科领域。这就是说，专家系统促使了知识工程的诞生和发展，知识工程又是为专家系统服务的。正是由于这二者的密切关系，所以，现在的“专家系统”与“知识工程”几乎已成为同义语。 4.按技术分类 按采用的技术分类，专家系统可分为符号推理专家系统
11、和神经网络专家系统。前面讲的内容均为基于符号推理,7.1.4 专家系统的分类,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,15,5.按规模分类 按规模分类，可分为大型协同式专家系统和微专家系统。 6.按结构分类 按结构分类可分为集中式和分布式，单机型和网络型(即网上专家系统)。,7.1.4 专家系统的分类,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,16,1. 专家系统与知识系统 专家系统能有效地解决问题的主要原因在于它拥有知识，因为“知识就是力量”。但专家系统拥有的知识是专家知识，而且主要是经验性知识。 由专家系统的出现和发展而发展起来的一种称为知识系统（K
12、nowledge Based System)的智能系统，其中的知识已不限于人类专家的经验知识，而可以是领域知识或通过机器学习所获得的知识等。所以，对于这种广义的知识系统来说，专家系统就是一种特殊的知识系统。,7.1.5 专家系统与知识工程,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,17,2. 专家系统与知识工程 由于专家系统是基于知识的系统，那么，建造专家系统就涉及到： （1）知识获取：从人类专家那里或从实际问题搜集、整理、归纳专家级知识 （2）知识表示：以某种结构形式表达所获取的知识，并将其存储于计算机之中 （3）知识的组织与管理：知识库建立与维护等 （4）知识
13、的利用：使用知识进行推理等一系列关于知识处理的技术和方法。,7.1.5 专家系统与知识工程,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,18,关于知识处理的技术和方法已形成一个称为“知识工程”（Knowledge Engineering）的学科领域。这就是说，专家系统促使了知识工程的诞生和发展，知识工程又是为专家系统服务的。正是由于这二者的密切关系，所以，现在的“专家系统”与“知识工程”几乎已成为同义语。,7.1.5 专家系统与知识工程,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,19,BACON3系统功能介绍：由一位美国学者P.W. L
14、angley (兰利)于1979年在Carnegie Mellon (卡内基-梅隆)大学提出的一个关于实验数据的分析系统，该系统是一个发现物理学中经验性定理的机器学习系统，并以英国16世纪著名思想家和科学家培根命名。 假设对应一组系统的输入数据 X=XK 得到一批输出数据 Y=YKI,K,I=1,2, 这批数据记录真实、齐全，但数据排列顺序被破坏了。如何分析呢？,7.1.6 一个关于专家系统的事例,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,20,由于这批数据记录真实、齐全，只是数据排列顺序被破坏了，因此，首先应恢复数据排列顺序，再进行系统分析： （1）将输入、输出
15、数据分为两组，各自按单调排列； （2）确定对应输入与输出间的数据乘积，或比值，或某次方根，等数学关系为一恒值常数；或引进新的变量，继续上述研究过程； （3）若确定对应输入输出间的数据的某数学关系为一恒值常数，则结合数据实验发生的原始环境，分析该常数的物理意义，从而总结出一般规律。,7.1.6 一个关于专家系统的事例,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,21,按照这种思路和数学模型，人们很容易获得关于物理学的很多定律。诸如： f=ma; S=vt U=RI Q=CU F=kX E=Mc2 P=F/S2 ( PxVx)/Tx= ( P0V0)/T0=R(常数)
16、等,7.1.6 一个关于专家系统的事例,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,22,按照这种思路和数学模型，人们很容易获得关于物理学的很多定律。诸如它能重新发现波义耳定律、欧姆定律、牛顿万有引力定律和开普勒行星运动定律等。 例如：如果给程序提供一系列气体体积随温度、压力变化的实验数据，系统经过学习概括和归纳推理，可以得出理想气体的波义耳定律。 BACON系统的思想是利用一些算子反复构造一些新的项，当这些项中有一个是常数时，就得到概念“项=常数”。,7.1.6 一个关于专家系统的事例,7.1 专家系统概述,2019/5/20,第7章 专家系统 李长河主编,23,例如，对开普勒定律：行星绕太阳运动周期为p与行星到太阳的距离d有关，即有公式： R = d3/p2 其中R为常数。计算过程如表8-2所示。 BACON3程序成功地模拟了人类发现物理学上一些经验性的简单定律，帮助人们概括出了物理实验中的一种客观规律。 进一步发展推广， BACON3甚至稍加改进，还可用于非线性系统的研究上。因此，对于这项成果，学者们曾经给以很高评
