第七章 专家系统7.1 专家系统的定义和分类n专家系统是人工智能的一个重要分支，也是目前人工智能中一个最活泼且最有成效的研究领域n1968年，第一个专家系统DENDRALn专家系统的应用领域n数学、物理、化学、医学、地质、气象、农业、法律、教育、交通运输、机械、艺术以及计算机科学本身n浸透到政治、经济、军事等重大决策部门n产生了宏大的社会效益和经济效益，同时也促进了人工智能根本理论和根本技术的开展专家系统的定义与特点n费根鲍姆 n“专家系统是一种智能的计算机程序，它运用知识和推理步骤来解决只有专家才能解决的复杂问题 n专家系统是基于知识的系统，用于在某种特定的领域中运用领域专家多年积累的经历 和专门 知识，求解需要专家才能解决的困难问题 n保存和大面积推广各种专家的珍贵知识 n博采众长 n比人类专 家更可靠，更灵敏 专家系统的产生和开展n第一阶段60年代末70年代初n第一个里程碑：斯坦福大学费根鲍姆等人于1968年研制成功的DENDRAL分析化合物分子构造的专家系统分析n利用质谱和核磁共振等化学实验数据推断出未知化合物的可能分子构造 nMYCSYMA系统是由麻省理工学院MIT于1971年开发成功并投入应用的专家系统，它可以求解各种数学问题 n特点n高度的专业化，专门问题求解才能强n构造、功能不完好，移植性差，缺乏解释功能专家系统的产生和开展n第二阶段70年代中80年代初nMYCIN是由美国斯坦福大学研制的用于细菌感染性疾病的诊断和治疗的专家系统n提出知识库概念；引入可信度方法；推理解释；英语交互nPROSPECTOR是由美国斯坦福研究所开发的一个探矿专家系统n首次实地分析华盛顿州某山区一带的地质资料，发现了一个钼矿床n第一个有明显经济效益的ESnCASNET是一个几乎与MYCIN同时开发的专家系统，由拉特格尔Rutger大学开发，用于青光眼诊断与治疗 nAM系统是由斯坦福大学于1981年研制成功的专家系统n模拟人类进展概括、抽象和归纳推理，发现某些数论的概念和定理专家系统的产生和开展第二阶段特点：(1) 单学科专业型专家系统；(2) 系统构造完好，功能较全面，移植性好；(3) 具有推理解释功能，透明性好；(4) 采用启发推理、不准确推理；(5) 用产生式规那么、框架、语义网络表达知识；(6) 用限定性英语进展人机交互专家系统的产生和开展n第三阶段80年代以来nDEC公司与卡内基-梅隆大学合作开发了专家系统XCONn为VAX计算机系统制订硬件配置方案，节约资金近1亿美元n专家系统开发工具的出现，它在许多领域简化了专家系统的构造n如骨架系统EMYCIN、KAS、EXPERT，通用知识工程语言OPS5、RLL，模块式专家系统工具AGE等专家系统的特点n具有专家程度的专门知识n能进展有效的推理n具有启发性n能根据不确定不准确的知识进展推理n具有灵敏性n具有透明性n具有交互性专家系统与传统程序的区别传统程序根据某一确定的算法和数据构造来求解某一确定的问题，专家系统是根据知识和推理来求解问题最大区别传统程序 = 数据构造 + 算法 专家系统 = 知识 + 推理 传统程序把关于问题求解的知识隐含于程序中，而专家系统那么将知识与运用知识的过程即推理机别离使专家系统具有更大的灵敏性，使系统易于修改专家系统与传统程序的区别从处理对象看，传统程序主要是面向数值计算和数据处理，而专家系统那么面向符号处理传统程序处理的数据多是准确的，对数据的检索是基于形式的布尔匹配，而专家系统处理的数据和知识大多是不准确的、模糊的，知识的形式匹配也多是不准确的传统程序一般不具有解释功能，而专家系统一般具有解释机构，可解释自己的行为专家系统与传统程序的区别传统程序根据算法求解问题，每次都能产生正确答案，专家系统像人类专家那样工作，通常产生正确的答案，但有时也会产生错误的答案专家系统存在的问题之一专家系统有才能从错误中汲取教训，改进对某一工作的问题求解才能从系统的体系构造来看，传统程序与专家系统具有不同的构造 专家系统的类型n按功能n管理专家系统元系统n完成复杂问题总 体决策、管理协调子系统的功能n领域专家系统n从推理方向的角度可分n正向推理专家系统n反向推理专家系统n混合推理专家系统n从知识表达方法的角度n基于逻辑的专家系统n基于产生式规那么的专家系统n基于语义网络的专家系统 专家系统的类型 专家系统种类专家系统种类解解 决决 的的 问问 题题 解解 释释根据感知数据推理情况描绘根据感知数据推理情况描绘 诊诊 断断根据观察结果推断系统是否有故障根据观察结果推断系统是否有故障 预预 测测推导给定情况可能产生的后果推导给定情况可能产生的后果 设设 计计根据给定要求进展相应的设计根据给定要求进展相应的设计 规规 划划设计动作设计动作 控控 制制控制整个系统的行为控制整个系统的行为 监监 督督比较观察结果和期望结果比较观察结果和期望结果 修修 理理执行方案来实现规定的补救措施执行方案来实现规定的补救措施 教教 学学诊断、调整、修改学生行为诊断、调整、修改学生行为 调调 试试建议故障的补救措施建议故障的补救措施专家系统的类型n解释型专家系统n能根据感知数据，经过分析、推理，从而给出相应解释n代表性：DENDRAL化学构造说明、PROSPECTOR地质解释等n诊断型专家系统n能根据获得的现象、数据或事实推断出系统是否有故障，并能找出产生故障的原因,给出排除故障的方案n代表性：PUFF肺功能诊断系统、PIP肾脏病诊断系统、DART计算机硬件故障诊断系统等n预测型专家系统n能根据过去和如今信息数据和经历来推断可能发生和出现的情况n天气预报、市场预测、人口预测等专家系统的类型n设计型专家系统n能根据给定要求进展相应的设计n工程设计、电路设计、服装设计 n代表性：XCON计算机系统配置系统、KBVLSIVLSI电路设计专家系统等 n规划型专家系统n能按给定目的拟定总体规划、行动方案、运筹优化等n机器人动作控制、军事规划、城市规划等n代表性：NOAH机器人规划系统、SECS帮助化学家制定有机合成规划的专家系统、TATR帮助空军制订攻击敌方机场方案的专家系统等n控制型专家系统n能根据详细情况，控制整个系统的行为n代表性：YES/MVS帮助监控和控制MVS操作系统专家系统的类型n监视型专家系统n能完成实时的监测任务，并根据监测到的现象作出相应的分析和处理 n代表性：REACTOR帮助操作人员检测和处理核反响堆事故 n修理型专家系统n能根据故障的特点制订纠错方案，并能施行该方案排除故障，当制订的方案失效或部分失效时，能及时采取相应的补救措施n教学型专家系统n能根据学生学习过程中所产生的问题进展分析、评价、找出错误原因，有针对性地确定教学内容或采取其它有效的教学手段 n代表性：GUIDON讲授有关细菌感染性疾病方面的医学知识n调试型专家系统n能根据相应的标准检测被测试对象存在的错误，并能从多种纠错方案中选出适用于当前情况的最正确方案，排除错误7.2 专家系统的构造和工作原理专家系统的一般构造 人机接口、推理机、知识库、动态数据库、知识获取机构、解释机构人 机 接 口解释机构知识获取机构知识库推理机数据库用户领域专家知识工程师专家系统核心专家系统的一般构造n知识库 n主要用来存放领域专家提供的专门知识 n(1) 知识表达方法的选择n最多的三种表示方法是产生式规那么、框架和语义网络 n 充分表示领域知识 n 能充分、有效地进展推理n 便于对知识的组织、维护与管理n 便于理解与实现 n(2) 知识库管理系统n 对知识库中的知识组织、检索和维护专家系统的一般构造n推理机n模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解n推理机包括推理方法和控制策略两部分n推理方法有准确推理和不准确推理n控制策略主要指推理方向控制及推理规那么选择策略n推理有正向推理、反向推理和正反向混合推理n推理策略一般还与搜索策略有关已在推理章节介绍n知识获取机构 n“瓶颈，是建造和设计专家系统的关键 n根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，以满足求解领域问题的需要 n要对知识进展一致性、完好性检测专家系统的一般构造n n人机接口人机接口 n n专家系统与领域专家、知识工程师、一般用户间进展交互的界面专家系统与领域专家、知识工程师、一般用户间进展交互的界面n n由一组程序及相应的硬件组成，用于完成输入输出工作由一组程序及相应的硬件组成，用于完成输入输出工作 n n更新、完善、扩大知识库；推理过程中人机交互；完毕时显示结更新、完善、扩大知识库；推理过程中人机交互；完毕时显示结果果n n数据库数据库n n又称又称“黑板、黑板、“综合数据库或综合数据库或“动态数据库动态数据库n n用于存放用户提供的初始事实、问题描绘及系统运行过程中得到用于存放用户提供的初始事实、问题描绘及系统运行过程中得到的中间结果、最终结果等信息的中间结果、最终结果等信息 n n是推理机不可缺少的工作场地，同时由于它可记录推理过程中的是推理机不可缺少的工作场地，同时由于它可记录推理过程中的各种有关信息，又为解释机构提供了答复用户咨询的根据各种有关信息，又为解释机构提供了答复用户咨询的根据n n解释机构解释机构 n n答复用户提出的问题，解释系统的推理过程，使系统对用户透明答复用户提出的问题，解释系统的推理过程，使系统对用户透明 专家系统的工作原理n根据知识库 中的知识和用户提供的事实进 展推理，不断地由的前提推出未知的结论 即中间结 果，并将中间结 果放到数据库中，作为的新事实进 展推理，从而把求解的问题 由求知状态转换为 状态n在专家系统的运行过程中，会不断地通过人机接口与用户进 展交互，向用户提问，并向用户作出解释 7.3 知识获取n知识获取的任务n为专家系统获取知识，建立起健全、完善、有效的知识库，以满足求解领域问题需要n(1)抽取知识识别、理解、挑选、归纳等，及自学习 n(2)知识的转换n第一步：从专家及文献资料处抽取的知识转换为某种知识表示形式，如产生式规那么、框架等知识工程师完成n第二步：该形式表示的知识转换为系统可直接利用的内部形式n(3)知识的输入 知识编辑器 n(4)知识的检测 不一致、不完好等 7.3 知识获取n n知识获取的形式知识获取的形式 n n非自动知识获取非自动知识获取( (人工移植人工移植) )知识工程师知识工程师 知识知识编辑器编辑器 n n自动知识获取自动知识获取n n系统具有获取知识的才能系统具有获取知识的才能n n系统具有识别语音、文字、图像的才能系统具有识别语音、文字、图像的才能 n n系统具有理解、分析、归纳的才能系统具有理解、分析、归纳的才能 n n系统具有从运行理论中学习的才能系统具有从运行理论中学习的才能n n半自动知识获取半自动知识获取 7.4 专家系统的建立n可行性分析n威特曼Watermam从三方面研究如何选择 适宜专家系统开发的问题n(1)什么情况下开发专 家系统是可能的?n问题 的求解主要依靠经历 性知识，而不需要大量运用常识性知识n存在真正的领域专家，这也是开发专 家系统最重要的要求之一n 一般某领域中有多个专家，他们应该对领 域答案的选择 和准确度有根本一致的看法n 任务易，有明确的开发目的，且任务能被很好地理解7.4 专家系统的建立(2)什么情况下开发专家系统是合理的？之一！ 问题的求解能带来较高的经济效益 人类专家奇缺，但又非常需要，且非常昂贵 人类专家经历不断丧失 危险场合需要专门知识(3)什么情况下开发专家系统是适宜的？特征！ 本质问题本质上必须能很自然地通过符号操作和符号构造来进展求解，且问题求解时需要使用启发式知识，需要使用经历规 那么才能得到答案 复杂性问题不是太容易且较为重要 范围问题需要有适当的范围专家系统的设计原那么与开发步骤n专家系统的设计原那么n专门任务领域大小 n专家合作反复磋商，团结协作 n原型设计从“最小系统到“扩大式开发 n用户参与充实、完善知识库 n辅助工具进步设计效率 n知识库与推理机别离表达特征，灵敏专家系统的设计原那么与开发步骤专。