高中AI課程教學(xué)內(nèi)容之一

1、高中高中AIAI課程教學(xué)內(nèi)容之一：課程教學(xué)內(nèi)容之一：主講：張家華主講：張家華E-mail: 浙江師范大學(xué)教師教育學(xué)院浙江師范大學(xué)教師教育學(xué)院福建省高中新課程福建省高中新課程信息技術(shù)信息技術(shù)學(xué)科學(xué)科骨干教師省級培訓(xùn)骨干教師省級培訓(xùn)2內(nèi)容提要v專家系統(tǒng)概述什么是專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的分類 專家系統(tǒng)的構(gòu)成 v專家系統(tǒng)的工作原理 正向推理和反向推理 不精確推理 專家系統(tǒng)的解釋功能 v專家系統(tǒng)的開發(fā)專家系統(tǒng)外殼的使用3專家系統(tǒng)的概念專家系統(tǒng)(Expert System)是一個具有智能特點的計算機軟件（系統(tǒng)）。它使用了人類某個領(lǐng)域的專家知識，并將這些知識通過編程嵌入到計算機內(nèi)部；計算機嵌入了這些知識后，可以通

2、過友好的用戶界面同用戶進行交流，并允許用戶向計算機提出一些問題。v它是一個智能程序系統(tǒng)；v它擁有專家知識；v模擬領(lǐng)域?qū)＜仪蠼鈫栴}的思維過程進行推理，解決某一領(lǐng)域中的復(fù)雜問題。4專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序的區(qū)別v 從編程思想看：傳統(tǒng)程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法; 專家系統(tǒng)=知識+推理v 傳統(tǒng)程序把關(guān)于問題求解的知識隱含于程序中，而專家系統(tǒng)則將知識（知識庫）與運用知識的過程(推理機)分離開來；v 傳統(tǒng)程序主要面向數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理，專家系統(tǒng)則面向符號處理；v 傳統(tǒng)程序一般不具有解釋功能，而專家系統(tǒng)有解釋機構(gòu)；v 傳統(tǒng)程序與專家系統(tǒng)具有不同的結(jié)構(gòu)；v 傳統(tǒng)程序根據(jù)算法能產(chǎn)生正確答案，而專家系統(tǒng)則可能會產(chǎn)生錯誤的答案

3、；v傳統(tǒng)程序一般都有算法解，而專家系統(tǒng)經(jīng)常要在不完全、不精確、不確定的信息基礎(chǔ)上作出結(jié)論。5專家系統(tǒng)的分類 類別類別功能作用功能作用應(yīng)用應(yīng)用預(yù)測型專家系統(tǒng)預(yù)測型專家系統(tǒng)（Expert Systemfor Prediction）主主要要對對處處理理對對象象的的過過去去和和現(xiàn)現(xiàn)在在的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)進進行行分分析析，并并由由此此來來推推測未來的演變和發(fā)展。測未來的演變和發(fā)展。氣氣象象預(yù)預(yù)報報、軍軍事事預(yù)預(yù)測測、人人口口預(yù)預(yù)測測、交交通通預(yù)預(yù)測測、財財政政預(yù)預(yù)測測、經(jīng)經(jīng)濟濟發(fā)發(fā)展預(yù)測、農(nóng)作物預(yù)測等展預(yù)測、農(nóng)作物預(yù)測等解釋型專家系統(tǒng)解釋型專家系統(tǒng)（Expert SystemforInterpretation

4、）對對 已已 知知 的的 信信息息 或或數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)進進 行行分分析析，解解釋釋這這些些信信息息和和數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的實實際含義。際含義。衛(wèi)衛(wèi)星星圖圖像像分分析析、集集成成電電路路分分析析、石石油油測測井井?dāng)?shù)數(shù)據(jù)據(jù)分分析析、染染色色體體分分類類等等診斷型專家系統(tǒng)診斷型專家系統(tǒng)（Expert Systemfor Diagnosis）根根據(jù)據(jù)輸輸入入的的信信息息找找出出處處理理對對象象存存在在的的故故障障及及其其原原因因，并并能能給給出一定的建議出一定的建議醫(yī)醫(yī)療療診診斷斷、電電子子或或機機械械以以及及材材料料失效診斷失效診斷教學(xué)型專家系統(tǒng)教學(xué)型專家系統(tǒng)（Expert Systemfor Instruct

5、ion）根根據(jù)據(jù)學(xué)學(xué)生生的的特特點點和和學(xué)學(xué)習(xí)習(xí)背背景景，以以適適當(dāng)當(dāng)?shù)牡慕探虒W(xué)學(xué)方方法法和和教教案案將將知知識識點點組組織織起起來來，用用于于對對學(xué)學(xué)生生進進行行教教學(xué)學(xué)和和輔輔導(dǎo)導(dǎo)、診診斷斷調(diào)調(diào)整整學(xué)學(xué)生生在學(xué)習(xí)過程中的行為。在學(xué)習(xí)過程中的行為。一一些些計計算算機機輔輔助助教教學(xué)學(xué)（CAI）系系統(tǒng)統(tǒng)、聾聾啞啞人人語語言言訓(xùn)訓(xùn)練練系系統(tǒng)統(tǒng)以以及及完完成其他一些教育與培訓(xùn)任務(wù)成其他一些教育與培訓(xùn)任務(wù)6專家系統(tǒng)的分類設(shè)計型專家系統(tǒng)設(shè)計型專家系統(tǒng)（Expert Systemfor Design）根根據(jù)據(jù)任任務(wù)務(wù)要要求求，計計算算出出滿滿足足設(shè)設(shè)計計問問題題約約束束的的目目標標配配置。置。工工程程設(shè)

6、設(shè)計計、電電路路設(shè)設(shè)計計、建建筑筑及及裝裝修修設(shè)設(shè)計計、服服裝裝設(shè)設(shè)計計、機機械設(shè)計及圖案設(shè)計械設(shè)計及圖案設(shè)計規(guī)劃型專家系統(tǒng)規(guī)劃型專家系統(tǒng)（Expert Systemfor Planning）按按給給定定目目標標擬擬定定總總體體規(guī)規(guī)劃劃、行行動動計計劃劃、運運籌籌優(yōu)優(yōu)化化等等。機機器器人人動動作作控控制制、工工程程規(guī)規(guī)劃劃、軍軍事事規(guī)規(guī)劃劃、城城市市規(guī)規(guī)劃劃、生生產(chǎn)規(guī)劃等。產(chǎn)規(guī)劃等?？刂菩蛯＜蚁到y(tǒng)控制型專家系統(tǒng)（Expert Systemfor Control）根根據(jù)據(jù)具具體體情情況況，控控制制整整個個系系統(tǒng)統(tǒng)的的行行為為，適適用用于于對對各各種種大大型型設(shè)設(shè)備備及及系系統(tǒng)統(tǒng)進進行行控控制。制

7、。代代 表表 性性 的的 專專 家家 系系 統(tǒng)統(tǒng) 有有YES/MVS（幫幫助助監(jiān)監(jiān)控控和和控控制制MVS操作系統(tǒng)的專家系統(tǒng)）操作系統(tǒng)的專家系統(tǒng)）監(jiān)視型專家系統(tǒng)監(jiān)視型專家系統(tǒng)（Expert Systemfor Monitoring）根根據(jù)據(jù)監(jiān)監(jiān)測測到到的的現(xiàn)現(xiàn)象象與與正正常常情情況況相相比比，及及時時作作出出相相應(yīng)應(yīng)的分析和處理。的分析和處理。森森林林火火警警監(jiān)監(jiān)視視，機機場場監(jiān)監(jiān)視視，如如REACTOR（幫幫助助操操作作人人員員檢檢測測和和處處理理核核反反應(yīng)應(yīng)堆堆事事故故的專家系統(tǒng)）。的專家系統(tǒng)）。維護型專家系統(tǒng)維護型專家系統(tǒng)（Expert Systemfor Repair）對對發(fā)發(fā)生生故故障

8、障的的系系統(tǒng)統(tǒng)、對對象象或或設(shè)設(shè)備備進進行行處處理理，制制定定糾糾錯錯方方案案，并并實實施施方方案案，使使其恢復(fù)正常。其恢復(fù)正常。調(diào)試型專家系統(tǒng)調(diào)試型專家系統(tǒng)（Expert Systemfor Debugging）根根據(jù)據(jù)相相應(yīng)應(yīng)的的標標準準檢檢測測被被測測試試對對象象存存在在的的錯錯誤誤，并并能能從從多多種種糾糾錯錯方方案案中中選選出出適適用用 于于 當(dāng)當(dāng) 前前 情情 況況 的的 最最 佳佳方方案，排除錯誤。案，排除錯誤。7專家系統(tǒng)的構(gòu)成 一般完整的專家系統(tǒng)應(yīng)包括人機接口、推理機、知識庫、數(shù)據(jù)庫、知識獲取器和解釋機構(gòu)六部分。 人機接口人機接口解釋機構(gòu)解釋機構(gòu)知識獲取機構(gòu)知識獲取機構(gòu)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

9、庫推理機推理機知識庫知識庫用戶用戶領(lǐng)域?qū)＜翌I(lǐng)域?qū)＜抑R工程師知識工程師8專家系統(tǒng)的工作原理一般的專家系統(tǒng)是通過推理機與知識庫和綜合數(shù)據(jù)庫的交互作用來求解領(lǐng)域問題的，其大致過程如下：1） 根據(jù)用戶的問題對知識庫進行搜索，尋找有關(guān)的知識；（匹配）2） 根據(jù)有關(guān)的知識和系統(tǒng)的控制策略形成解決問題的途徑，從而構(gòu)成一個假設(shè)方案集合；3） 對假設(shè)方案集合進行排序，并挑選其中在某些準則下為最優(yōu)的假設(shè)方案；（沖突解決）4） 根據(jù)挑選的假設(shè)方案去求解具體問題；（執(zhí)行）5） 如果該方案不能真正解決問題，則回溯到假設(shè)方案序列中的下一個假設(shè)方案，重復(fù)求解問題；6） 循環(huán)執(zhí)行上述過程，直到問題已經(jīng)解決或所有可能的求解方

10、案都不能解決問題而宣告“無解”為止。9正向推理在專家系統(tǒng)中，對知識應(yīng)用的順序和選擇過程稱為控制策略，它決定著如何推理以及采用何種推理方式。正向推理(Forward Reasoning)和反向推理(Reverse Reasoning)就是兩種重要的控制策略。 蘇格拉底是男人蘇格拉底是男人所有男人都屬于人類所有男人都屬于人類人類必然要死亡人類必然要死亡蘇格拉底是男人蘇格拉底是男人所有男人都屬于人類所有男人都屬于人類人類必然要死亡人類必然要死亡蘇格拉底是人類蘇格拉底是人類蘇格拉底是男人蘇格拉底是男人所有男人都屬于人所有男人都屬于人類類人類必然要死亡人類必然要死亡蘇格拉底是人類蘇格拉底是人類蘇格拉底必

11、然要死蘇格拉底必然要死亡亡蘇格拉底蘇格拉底是人類是人類最終狀態(tài)最終狀態(tài)人類必然要死亡人類必然要死亡蘇格拉底是人類蘇格拉底是人類蘇 格 拉 底蘇 格 拉 底必 然 要 死必 然 要 死亡亡10正向推理上例中，知識庫中的規(guī)則：IF 蘇格拉底=TURE THEN 男人=TURE.IF 男人=TURE THEN 人類=TURE.IF 人類=TURE THEN 會死的=TURE. 11正向推理解釋機構(gòu)：順序規(guī)則建議取得由來。 顯示:會死的 = TRUE應(yīng)用規(guī)則:IF 人類 = TRUETHEN 會死的 = TRUE . 顯示:男人 = TRUE應(yīng)用規(guī)則:IF 蘇格拉底 = TRUETHEN 男人 = T

12、RUE . 顯示:人類 = TRUE應(yīng)用規(guī)則:IF 男人 = TRUETHEN 人類 = TRUE .你說:蘇格拉底 = TRUE 建議證實.12正向推理推理機的工作過程如下：推理機將知識庫中的規(guī)則前提與這些事實進行匹配；一般是將每條規(guī)則的取出來，驗證這些前提是否在數(shù)據(jù)庫中，若都在，則匹配成功；不然的話，則取下一條規(guī)則進行匹配。把匹配成功的規(guī)則的作為新的事實添加到綜合數(shù)據(jù)庫中。用更新后的綜合數(shù)據(jù)庫中的事實，重復(fù)上面兩個步驟，直到某個事實就是意想中的結(jié)論或是不再有新的事實產(chǎn)生為止。13正向推理開始令I(lǐng)1取出規(guī)則I的前件這些前提都在數(shù)據(jù)庫中嗎取出規(guī)則I的結(jié)論這些結(jié)論是新事實嗎？將這些結(jié)論加入數(shù)據(jù)庫

13、，并記下規(guī)則I還能產(chǎn)生新事實嗎令I(lǐng)I1結(jié)束是是否否否能否14正向推理IF 該動物用乳汁哺育幼子 = true THEN 哺乳動物 = true .IF 該動物有毛發(fā) = trueTHEN 哺乳動物 = true .IF 該動物會吃肉 = trueTHEN 食肉動物 = true .IF 該動物有犬齒 = true AND 該動物有爪 = true AND 該動物眼視前方 = trueTHEN 食肉動物 = true .IF 哺乳動物 = true AND 該動物有蹄 = trueTHEN 蹄類動物 = true .IF 哺乳動物 = true AND 該動物是反芻動物 = trueTHEN 蹄

14、類動物 = true .IF 哺乳動物 = true AND 食肉動物 = true AND有暗斑點 = trueTHEN 該動物是金錢豹 = true .IF 哺乳動物 = true AND 食肉動物 = true AND 有黑色條紋 = trueTHEN 該動物是老虎 = true .IF 蹄類動物 = true AND 有黑色條紋 = trueTHEN 該動物是斑馬 =true .IF 蹄類動物 = true AND 有長脖子= true AND 有長腿 = true THEN 該動物是長頸鹿 =true .有毛發(fā)會吃肉有暗斑點有毛發(fā)會吃肉有暗斑點哺乳動物有毛發(fā)會吃肉有暗斑點哺乳動物食肉

15、動物有毛發(fā)會吃肉有暗斑點哺乳動物食肉動物金錢豹該動物 是 金 錢豹在右例中，用圖說明了正向推理的過程。在推理過程中，會同時推出幾個結(jié)論。如：有毛發(fā)、會吃肉、有斑點首推出金錢豹有黑色條紋推出老虎有蹄推出斑馬15反向推理 反向推理(Reverse Reasoning)就是用戶或系統(tǒng)提出一些假設(shè)，然后系統(tǒng)來驗證這些假設(shè)的真假性。它的推理過程可以理解為從目標出發(fā)，反向使用規(guī)則進行推理。其具體過程如下：1) 看假設(shè)是否在綜合數(shù)據(jù)庫當(dāng)中,若在，則假設(shè)成立，推理結(jié)束或進行下一個假設(shè)的驗證，否則，進行下一步。2) 判斷這些假設(shè)是不是證據(jù)結(jié)點，若是，系統(tǒng)向用戶提問。否則進入下一步。3)找出結(jié)論部分包含這些假設(shè)的

16、規(guī)則，把這些規(guī)則的所有前提作為新的假設(shè)。重復(fù)1、2、3步。 16反向推理開始提出假設(shè)此假設(shè)還在數(shù)據(jù)庫中嗎找出結(jié)論部分包含此假設(shè)的那些規(guī)則找出規(guī)則之一的1個前提作為新的假設(shè)此假設(shè)是否是證據(jù)節(jié)點此假設(shè)成立向用戶提問有此事實否？將事實記錄數(shù)據(jù)庫結(jié)束結(jié)束在是有無或或否否17反向推理哺乳動物哺乳動物食肉動物食肉動物該動物是金錢豹該動物是金錢豹該動物用乳汁哺育幼子？該動物用乳汁哺育幼子？該動物會吃肉？該動物會吃肉？有暗斑點？有暗斑點？18不精確推理 不確定推理，又稱不精確推理（Inexact Reasoning）,是指由于證據(jù)的不確定、規(guī)則的不確定或研究方法的不確定，導(dǎo)致推理的結(jié)果的不確定。表示不確定信息

17、的基本思想就是：將推理過程中所涉及的“事實”和“規(guī)則”都賦上一個“可信度因子”，即事實或規(guī)則的確信程度。可信度因子一般可以取閉區(qū)間1,1中的任何一個值，如果完全確定的話可信度因子就是1，完全否定則取1。19不精確推理通常我們用CF來表示可信度。例如，規(guī)則： ifAthenB CF(B,A)設(shè)：CF（A）表示前提條件A的可信度；CF（B）表示結(jié)論B的可信度；CF（B，A）表示從A推出B的可信度（可能性），即該規(guī)則的可信度。n 前提為單個條件時CF（B）= CF(B,A)CF(A)例如，規(guī)則的可信度為100%，即CF（B，A）=1，則CF（B）=CF（A）。 20不精確推理n 前提條件以“AND”

18、連接時如果前提A以“AND”連接了多個條件，例如A（A1A2A3），則取前提條件中可信度的最小值作為A的可信度。CF（A）=CF（A1A2A3）min(CF(A1),CF(A2),CF(A3)CF(B)=CF(B,A)CF(A)= =CF(B,A)min(CF(A1),CF(A2),CF(A3) 21不精確推理n 前提條件以“OR”連接時如果前提A以“OR”連接了多個條件，例如A（A1 A2A3），則取多個條件中可信度的最大值作為A的可信度。CF（A）CF（A1A2A3）max(CF(A1),CF(A2),CF(A3)CF(B)=CF(B,A)CF(A)= CF(B,A)max(CF(A1),CF(A2),CF(A3) 22不精確推理金錢豹金錢豹哺乳動物哺乳動物食肉動物食肉動物該動物用該動物用乳汁哺育乳汁哺育幼子？幼子？0.8該動物會該動物會吃肉？吃肉？0.9該動物有該動物有暗斑點？暗斑點？10.50.950.6例：試求得出結(jié)論“金錢豹”的可信度，即計算CF（金錢豹）。23不精確推理提示：CF(哺乳動物)=CF(a)CF(用乳汁哺育幼子)=0.50.8=0.4CF(食肉動物)=CF(b)CF(會吃肉)=0.950.9=0.855CF(金錢豹)= CF(c)min(CF(哺乳動物),CF(食肉動物),CF(有暗斑點)=0.60.4=0.24所以，得出結(jié)論“金錢