湘潭大學 人工智能課件 專家系統(tǒng) Part 2

1、Artificial Intelligence (AI)人工智能人工智能第四章：專家第四章：專家系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)容提要4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)4.3 4.3 基于框架的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)4.4 4.4 基于模型的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)4.5 4.5 基于基于WebWeb的專家系統(tǒng)的專家系統(tǒng)4.6 4.6 新型專家系統(tǒng)新型專家系統(tǒng)4.7 4.7 專家系統(tǒng)的設計專家系統(tǒng)的設計4.8 4.8 專家系統(tǒng)的開發(fā)工具專家系統(tǒng)的開發(fā)工具4.4 4.4 基于模型的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)4.4.1 4.4.1 基于模型專家系統(tǒng)的提出基于模型專家系統(tǒng)的

2、提出v關(guān)于人工智能的一個關(guān)于人工智能的一個觀點觀點: : 認為人工智能是對各種定性認為人工智能是對各種定性模型（物理的、感知的、認識的和社會的系統(tǒng)模型）的模型（物理的、感知的、認識的和社會的系統(tǒng)模型）的獲得、表達及使用的計算方法進行研究的學問。獲得、表達及使用的計算方法進行研究的學問。一個知一個知識系統(tǒng)中的知識庫是由各種模型綜合而成的識系統(tǒng)中的知識庫是由各種模型綜合而成的。v模型類型模型類型：基于邏輯的心理模型基于邏輯的心理模型、定性的物理模型、神、定性的物理模型、神經(jīng)元網(wǎng)絡模型、可視知識模型等等。經(jīng)元網(wǎng)絡模型、可視知識模型等等。v綜合各種模型的專家系統(tǒng)比基于邏輯心理模型的系統(tǒng)具綜合各種模型的

3、專家系統(tǒng)比基于邏輯心理模型的系統(tǒng)具有更強的功能，從而有可能顯著改進專家系統(tǒng)的設計有更強的功能，從而有可能顯著改進專家系統(tǒng)的設計v在諸多模型中，在諸多模型中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的應用最為廣泛的應用最為廣泛基于規(guī)則的基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)，基于框架的基于框架的專家系統(tǒng)專家系統(tǒng) 4.4.2 4.4.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)v 神經(jīng)網(wǎng)絡模型從知識表示、推理機制到控制方式，與目前神經(jīng)網(wǎng)絡模型從知識表示、推理機制到控制方式，與目前專家系統(tǒng)中的基于邏輯的心理模型有本質(zhì)的區(qū)別專家系統(tǒng)中的基于邏輯的心理模型有本質(zhì)的區(qū)別基于邏輯的心理模型基于邏輯的心理模型神經(jīng)網(wǎng)絡模型神

4、經(jīng)網(wǎng)絡模型知識表示：知識表示：是顯式表示，通過人是顯式表示，通過人的加工轉(zhuǎn)換成規(guī)則的加工轉(zhuǎn)換成規(guī)則是隱式表示，通過學是隱式表示，通過學習算法自動獲取習算法自動獲取推理機制：推理機制：檢索和驗證檢索和驗證網(wǎng)絡上隱含模式對輸入的競爭網(wǎng)絡上隱含模式對輸入的競爭把特定論域輸入模式中的各個抽象把特定論域輸入模式中的各個抽象概念轉(zhuǎn)化為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入數(shù)據(jù)，概念轉(zhuǎn)化為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)論域特點適當?shù)亟忉屔窠?jīng)網(wǎng)絡根據(jù)論域特點適當?shù)亟忉屔窠?jīng)網(wǎng)絡的輸出數(shù)據(jù)。的輸出數(shù)據(jù)。 4.4.2 4.4.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)v三種神經(jīng)網(wǎng)絡模型與專家系統(tǒng)集成模式三種神經(jīng)網(wǎng)絡模型與專家系統(tǒng)集成模式

5、神經(jīng)網(wǎng)絡支持專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡支持專家系統(tǒng) 以傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)為主，以神經(jīng)網(wǎng)絡為輔以傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)為主，以神經(jīng)網(wǎng)絡為輔 專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡 以神經(jīng)網(wǎng)絡的有關(guān)技術(shù)為核心，建立相應領(lǐng)域的專以神經(jīng)網(wǎng)絡的有關(guān)技術(shù)為核心，建立相應領(lǐng)域的專家系統(tǒng)家系統(tǒng) 協(xié)同式的神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)協(xié)同式的神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng) 針對復雜問題，將其分解若干子問題，對每個子問針對復雜問題，將其分解若干子問題，對每個子問題，用神經(jīng)網(wǎng)絡或?qū)＜蚁到y(tǒng)去實現(xiàn)題，用神經(jīng)網(wǎng)絡或?qū)＜蚁到y(tǒng)去實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)專家神經(jīng)網(wǎng)絡用戶知識獲取知識獲取學習示例網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)學習算法解釋器解釋器知識庫知識庫推理機推理

6、機圖4.7 神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 4.4.2 4.4.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的幾個問題討論神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的幾個問題討論v 神經(jīng)網(wǎng)絡的神經(jīng)網(wǎng)絡的知識表示知識表示是一種是一種隱式表示隱式表示，即把某，即把某個問題領(lǐng)域的若干知識彼此個問題領(lǐng)域的若干知識彼此關(guān)聯(lián)地表示在一個關(guān)聯(lián)地表示在一個網(wǎng)絡中網(wǎng)絡中。v 神經(jīng)網(wǎng)絡通過神經(jīng)網(wǎng)絡通過實例學習實例學習實現(xiàn)實現(xiàn)知識自動獲取。知識自動獲取。 領(lǐng)域?qū)＜姨峁W習實例及其期望解，神經(jīng)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)＜姨峁W習實例及其期望解，神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法不斷修改網(wǎng)絡的權(quán)值分布。經(jīng)過學習絡學習算法不斷修改網(wǎng)絡的權(quán)值分布。經(jīng)過學習糾錯而達到穩(wěn)

7、定權(quán)值分布的神經(jīng)網(wǎng)絡，就是神經(jīng)糾錯而達到穩(wěn)定權(quán)值分布的神經(jīng)網(wǎng)絡，就是神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的知識庫知識庫。 4.4.2 4.4.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)v 神經(jīng)網(wǎng)絡的推理是個正向非線性數(shù)值計算過程神經(jīng)網(wǎng)絡的推理是個正向非線性數(shù)值計算過程，同時也是一種并行推理機制，同時也是一種并行推理機制v 同一知識領(lǐng)域的幾個獨立的同一知識領(lǐng)域的幾個獨立的專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)可可組合組合成成更大的神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)更大的神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng) 4.4.2 4.4.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的幾個問題討論神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的幾個問題討論內(nèi)容提要4.1 4.1

8、 概述概述4.2 4.2 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)4.3 4.3 基于框架的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)4.4 4.4 基于模型的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)4.5 4.5 基于基于WebWeb的專家系統(tǒng)的專家系統(tǒng)4.6 4.6 新型專家系統(tǒng)新型專家系統(tǒng)4.7 4.7 專家系統(tǒng)的設計專家系統(tǒng)的設計4.8 4.8 專家系統(tǒng)的開發(fā)工具專家系統(tǒng)的開發(fā)工具4.5 4.5 基于基于WebWeb的專家系統(tǒng)的專家系統(tǒng)4.5.1 基于基于WebWeb專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)v 基于基于WebWeb專家系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)如圖專家系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)如圖4.104.10所示，主要分所示，主要分為為3 3個層次：

9、瀏覽器、應用邏輯層和數(shù)據(jù)庫層，這種個層次：瀏覽器、應用邏輯層和數(shù)據(jù)庫層，這種結(jié)構(gòu)符合結(jié)構(gòu)符合3 3層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。用戶用戶Web瀏瀏覽覽器器應用服務器應用服務器Web推理機推理機數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫服庫服務器務器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫庫知識知識庫庫圖圖4 4-8 -8 基于基于WebWeb專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 基于基于WebWeb的飛機故障遠程診斷專家系統(tǒng)的飛機故障遠程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)知識庫維護系統(tǒng)知識庫維護系統(tǒng)診斷咨詢系統(tǒng)診斷咨詢系統(tǒng)Internet診斷專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)Web接口推理機解釋器知識庫（規(guī)則）知識庫（事實）（a a） 遠程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)遠程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Web瀏覽器

10、瀏覽器Web服務器服務器ASP文件(使用ADO)ODBC驅(qū)動程序知識庫系統(tǒng)（b b） Web用戶存取服務器專家系統(tǒng)的流程用戶存取服務器專家系統(tǒng)的流程圖4-9基于基于 Web的飛機故障遠程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的飛機故障遠程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 基于基于Web的拖網(wǎng)絞機專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的拖網(wǎng)絞機專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 基于基于 Web的拖網(wǎng)絞機專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的拖網(wǎng)絞機專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 客戶端客戶端Web服務器服務器數(shù)據(jù)庫服務器全 局推理機全局數(shù)據(jù)庫全局知識庫Internet/Intranet局部數(shù)據(jù)庫局部推理機局部知識庫用戶界面接口設計用戶設計任務客戶端知識庫維護系統(tǒng)界面接口客戶端專家知識工程師4.5.2 基于基

11、于WebWeb專家系統(tǒng)的實例專家系統(tǒng)的實例1. 基于 Web的飛機故障遠程診斷專家系統(tǒng)v 診斷咨詢系統(tǒng)的實現(xiàn)診斷咨詢系統(tǒng)的實現(xiàn) v Web用戶存取遠程專家系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程如下。 a用戶端借助瀏覽器頁面填寫飛機故障現(xiàn)象表單，指定URL，通過HTTP通信協(xié)議從Web服務器下載指定的ASP文件。 b. Web服務器判斷ASP文件中是否含有腳本程序（JavaScript或VBScript），若有，則執(zhí)行相應的程序（推理機）。對于那些不是腳本的部分則直接傳給瀏覽器。 c. 若腳本程序使用了ADO對象，則Web服務器會根據(jù)ADO對象所設置的參數(shù)來啟動對應的ODBC驅(qū)動程序，然后利用ADO對象訪問專家知識

12、庫。 d. 根據(jù)推理匹配結(jié)果，由腳本程序利用ASP所做的輸出對象生成Web頁面，從Web服務器傳遞給客戶端瀏覽器，從而實現(xiàn)飛機故障的遠程診斷。v 知識庫的管理與維護知識庫的管理與維護 2.2. 基于基于 Web的拖網(wǎng)絞機專家系統(tǒng)的拖網(wǎng)絞機專家系統(tǒng)v 知識表示和知識庫知識表示和知識庫 v 推理機推理機 基于實例推理 基于規(guī)則的推理 v 實例檢索實例檢索 v 回溯策略回溯策略 v WebWeb數(shù)據(jù)庫訪問數(shù)據(jù)庫訪問 4.6 新型專家系統(tǒng)v 并行與分布處理并行與分布處理v 多專家系統(tǒng)協(xié)同工作多專家系統(tǒng)協(xié)同工作v 高級語言和知識語言描述高級語言和知識語言描述v 具有自學習功能具有自學習功能v 引入新的推

13、理機制引入新的推理機制v 具有自糾錯和自完善能力具有自糾錯和自完善能力v 先進的智能人機接口先進的智能人機接口4.6.1 4.6.1 新型專家系統(tǒng)的特征新型專家系統(tǒng)的特征4.6.2 4.6.2 分布式分布式( distributed)( distributed)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)v 主要目的：把一個專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解以后分布主要目的：把一個專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解以后分布到多個處理器上去并行地工作，從而在總體上提高到多個處理器上去并行地工作，從而在總體上提高系統(tǒng)的處理效率。系統(tǒng)的處理效率。v 可以工作在緊耦合的多處理器系統(tǒng)環(huán)境中，也可工可以工作在緊耦合的多處理器系統(tǒng)環(huán)境中，也可工作在松耦合的計算機

14、網(wǎng)絡環(huán)境里，所以其總體結(jié)構(gòu)作在松耦合的計算機網(wǎng)絡環(huán)境里，所以其總體結(jié)構(gòu)在很大程度上依賴于其所在的硬件環(huán)境。在很大程度上依賴于其所在的硬件環(huán)境。4.6 新型專家系統(tǒng)新型專家系統(tǒng)設計和實現(xiàn)分布式專家系統(tǒng)，需要解決的問題設計和實現(xiàn)分布式專家系統(tǒng)，需要解決的問題：v 功能分布功能分布 把分解得到的系統(tǒng)各部分功能或任務合理均衡地分配到各處理節(jié)點上去v 知識分布知識分布 根據(jù)功能分布的情況把有關(guān)知識經(jīng)合理劃分以后分配到各處理節(jié)點上v 接口設計接口設計 各部分間接口的設計目的是要達到各部分之間互相通訊和同步容易進行v 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一方面依賴于應用的環(huán)境與性質(zhì)，另一方面依賴于其所處的硬件環(huán)境v 驅(qū)動方式

15、驅(qū)動方式 可供選擇的幾種驅(qū)動方式：(1) 控制驅(qū)動，(2) 數(shù)據(jù)驅(qū)動，(3) 需求驅(qū)動，(4) 事件驅(qū)動4.6 新型專家系統(tǒng)新型專家系統(tǒng).3 協(xié)同式協(xié)同式( (synergetic ) )專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)v一般專家系統(tǒng)解題的領(lǐng)域面很窄一般專家系統(tǒng)解題的領(lǐng)域面很窄v協(xié)同式多專家系統(tǒng)是克服一般專家系統(tǒng)的局協(xié)同式多專家系統(tǒng)是克服一般專家系統(tǒng)的局限性的一個重要途徑。限性的一個重要途徑。v協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱“群專家系統(tǒng)群專家系統(tǒng)”4.6 新型專家系統(tǒng)新型專家系統(tǒng) 設計與建立一個協(xié)同式多專家系統(tǒng)，需要解設計與建立一個協(xié)同式多專家系統(tǒng)，需要解決的問題決的問題：v 任

16、務的分解任務的分解 v 公共知識的導出公共知識的導出 v 討論方式討論方式 v 裁決問題裁決問題 v 驅(qū)動方式驅(qū)動方式.3 協(xié)同式協(xié)同式( (synergetic ) )專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)4.46 新型專家系統(tǒng)新型專家系統(tǒng)4.7 專家系統(tǒng)設計專家系統(tǒng)設計分為以下兩部分介紹分為以下兩部分介紹: : 以設計一個基于規(guī)則的維修咨詢系統(tǒng)為例，說以設計一個基于規(guī)則的維修咨詢系統(tǒng)為例，說明專家系統(tǒng)的設計過程。這一過程包括描述專家知明專家系統(tǒng)的設計過程。這一過程包括描述專家知識、應用知識和解釋決策等。識、應用知識和解釋決策等。 專家知識的描述專家知識的描述 知識的使用和決策解釋知識的使用和決策

17、解釋 4.7.1 專家知識的描述專家知識的描述v結(jié)論的表示結(jié)論的表示 結(jié)論規(guī)定了所涉及專門知識的范圍結(jié)論規(guī)定了所涉及專門知識的范圍v觀測的表示觀測的表示 觀測是得到結(jié)論所需要的觀察或量測結(jié)果觀測是得到結(jié)論所需要的觀察或量測結(jié)果v推理規(guī)則的表示推理規(guī)則的表示 產(chǎn)生式規(guī)則是決策規(guī)則最為常用的表示形式產(chǎn)生式規(guī)則是決策規(guī)則最為常用的表示形式, ,可可根據(jù)觀測和假設之間的邏輯關(guān)系分成根據(jù)觀測和假設之間的邏輯關(guān)系分成3 3類：類：(1) FF(1) FF（規(guī)則（規(guī)則); (2) FH); (2) FH規(guī)則規(guī)則; (3) HH; (3) HH規(guī)則規(guī)則4.7.2 知識的使用和決策解釋知識的使用和決策解釋v結(jié)論

18、的分級與選擇結(jié)論的分級與選擇v詢問問題的策略詢問問題的策略 固定的順序固定的順序 根據(jù)具體情況作出某種選擇根據(jù)具體情況作出某種選擇v決策的解釋決策的解釋 對系統(tǒng)設計者的解釋對系統(tǒng)設計者的解釋 對系統(tǒng)使用者的解釋對系統(tǒng)使用者的解釋4.8 專家系統(tǒng)開發(fā)工具專家系統(tǒng)開發(fā)工具v專家系統(tǒng)工具是一種更高級的計算機程序?qū)＜蚁到y(tǒng)工具是一種更高級的計算機程序設計語言設計語言v現(xiàn)有的專家系統(tǒng)工具，主要分為現(xiàn)有的專家系統(tǒng)工具，主要分為骨架型工骨架型工具具、語言型工具語言型工具、構(gòu)造輔助工具構(gòu)造輔助工具和和支撐環(huán)支撐環(huán)境境等等4 4類類1. 骨架型開發(fā)工具骨架型開發(fā)工具v 專家系統(tǒng)一般都有推理機和知識庫兩部分，而規(guī)則

19、集存于專家系統(tǒng)一般都有推理機和知識庫兩部分，而規(guī)則集存于知識庫內(nèi)。在一個理想的專家系統(tǒng)中，推理機完全獨立于知識庫內(nèi)。在一個理想的專家系統(tǒng)中，推理機完全獨立于求解問題領(lǐng)域。系統(tǒng)功能上的完善或改變，只依賴于規(guī)則求解問題領(lǐng)域。系統(tǒng)功能上的完善或改變，只依賴于規(guī)則集的完善和改變。由此，借用以前開發(fā)好的專家系統(tǒng)，將集的完善和改變。由此，借用以前開發(fā)好的專家系統(tǒng)，將描述領(lǐng)域知識的規(guī)則從原系統(tǒng)中描述領(lǐng)域知識的規(guī)則從原系統(tǒng)中“挖掉挖掉”，只保留其獨立，只保留其獨立于問題領(lǐng)域知識的推理機部分，這樣形成的工具稱為于問題領(lǐng)域知識的推理機部分，這樣形成的工具稱為骨骨架型工具。架型工具。v優(yōu)點優(yōu)點 使用方便，節(jié)省在開發(fā)

20、系統(tǒng)的過程結(jié)構(gòu)上的使用方便，節(jié)省在開發(fā)系統(tǒng)的過程結(jié)構(gòu)上的時間，提高開發(fā)效率，交互性好，提供很強的對時間，提高開發(fā)效率，交互性好，提供很強的對結(jié)果進行解釋的功能結(jié)果進行解釋的功能v實例：實例：EMYCIN EMYCIN 2. 2. 語言型開發(fā)工具語言型開發(fā)工具與骨架型的對比與骨架型的對比 v 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)變化范圍廣泛，表示靈活，所適應的范圍優(yōu)點：結(jié)構(gòu)變化范圍廣泛，表示靈活，所適應的范圍廣泛。廣泛。v 問題及缺點：功能上的通用性與使用上的方便性的矛問題及缺點：功能上的通用性與使用上的方便性的矛盾造成一些問題和缺點盾造成一些問題和缺點v 實例：實例：OPS5OPS5、CLIPSCLIPS等等 語言型工具提供給用戶的是建立專家系統(tǒng)所需要的語言型工具提供給用戶的是建立專家系統(tǒng)所需要的基本機制，其控制策略也不固定于一種或幾種形式，用基本機制，其控制策略也不固定于一種或幾種形式，用戶可以通過一定手段來影響其控制策略。因此，語言型戶可以通過一定手段來