專家系統(tǒng)綜述

1、專家系統(tǒng)綜述摘要綜述專家系統(tǒng)的基本概念、主要結(jié)構(gòu)、開發(fā)方法以及在機械制造領域的應用情況。關健詞： 專家系統(tǒng) 綜述1、什么是專家系統(tǒng)人工智能(Artifieial Inteligenee簡稱Al)被譽為本世紀的三大科學技術成就之一，受到了世界各國的普遍重視。而60年代中期作為人工智能的一個應用領域的專家系統(tǒng)(Expert System簡稱ES)的出現(xiàn)，使得人工智能的研究從實驗室走向了現(xiàn)實世界。所謂專家系統(tǒng)實際上是一個(或一組)能在某特定領域內(nèi).以人類專家水平去解決該領域中困難問題的計算機程序。或者說，專家系統(tǒng)是這樣一個系統(tǒng)：a.專家系統(tǒng)處理現(xiàn)實世界中提出的需要由專家來分析和判斷的復雜問題。b.專

2、家系統(tǒng)利用專家推理方法的計算機模型來解決間題，并且可以得到和專家相同的結(jié)論。由于專家系統(tǒng)的功能主要依賴于大量的知識，這些知識均存在知識庫中，通過推理機按一定的推理策略去解決問題，所以它也被稱大知識基系統(tǒng)。專家系統(tǒng)是研究用解決某專門問題的專家知識來建立人機系統(tǒng)的方法和技術。由于知識在專家系統(tǒng)中起著決定性作用，所以一般將建立專家系統(tǒng)的工作過程稱為知識工程。2、專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及分類2.1專家系統(tǒng)的墓本結(jié)構(gòu)一個完整的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由圖1所示的六個部分組成。其中數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機和人機接口是必不可少的部分。解釋部分、知識獲取部分是期望部分。下面分別介紹這些部分。a.知識庫知識庫是領域知識的存儲器。

3、它存儲專家經(jīng)驗、專門知識與常識性知識，是專家系統(tǒng)的核心部分。知識庫可以由事實性知識和推理性知識組成。知識是決定一個專家系統(tǒng)性能的主要因素。一個知識庫必須具備良好的可用性、確實性和完善性。要建立一個知識庫，首先要從領域?qū)＜夷抢铽@取知識即稱為知識獲取。然后將獲得的知識編排成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)井存入計算機中，這就形成了知識庫，可供系統(tǒng)推理判斷之用。b.數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫用于存儲領域內(nèi)的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的各種信息。數(shù)據(jù)庫中存放的內(nèi)容是該系統(tǒng)當前要處理的對象的一些事實。c.推理機推理機是用來控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的。它根據(jù)當前輸入的數(shù)據(jù)即數(shù)據(jù)庫中的信息，利用知識庫中的知識，按一定的推理策略，去解決當前的問題.并把結(jié)

4、果送到用戶接口。在專家系統(tǒng)中，推理方式有：正向推理、反向推理、混合推理。在上述三種推理方式中，又有精確與不精確推理之分。因為專家系統(tǒng)是模擬人類專家進行工作，所以推理機的推理過程應與專家的推理過程盡可能一致。d.人機接口人機接口是專家系統(tǒng)與用戶通信的部分。它既可接受來自用戶的信息，將其翻譯成系統(tǒng)可接受的內(nèi)部形式，又能把推理機從知識庫中推出的有用知識送給用戶。e.解釋部分解釋部分能對推理給出必要的解釋。這給用戶了解推理過程，向系統(tǒng)學習和維護系統(tǒng)提供了方便。f.知識獲取部分知識獲取部分為修改、擴充知識庫中的知識提供手段。這里指的是機器自動實現(xiàn)的知識獲取。它對于一干專家系統(tǒng)的不斷完善、提高起著重要的作

5、用。通常，它應具備能刪除知識庫中不需要的知識及把需要的新知識加入知識庫中的功能。最好還具有能根據(jù)實踐結(jié)果，發(fā)現(xiàn)知識庫中不合適的知識以及能總結(jié)出新知識的功能。知識獲取部分實際上是一種學習功能。專家系統(tǒng)的一個重要特征是知識庫與推理機分離，系統(tǒng)允許在運行過程中不斷修改知識，增加新知識，使系統(tǒng)性能不斷提高。綜上所述可知，一個專家系統(tǒng)不僅能提供專家水平的建議與意見，而且當用戶需要時，能對系統(tǒng)本身行為作出解釋，同時還有知識獲取功能。專家系統(tǒng)的工作特點是運用知識進行推量，因此知識獲取(包括人工方式的知識獲取和機器學習)、知識表示和知識運用是建造專家系統(tǒng)的三個核心部分。另外專家系統(tǒng)強調(diào)符號處理，并希望有一個理

6、想的人機接口，做到專家或用戶能以一種接近自然語言的語言甚至口語形式同系統(tǒng)進行信息的交流。這些都是傳統(tǒng)程序所不具備的特點。如下表所示：表1 專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)程序的比較特性專家系統(tǒng)傳統(tǒng)程序處理類型符號數(shù)字主要算符比較、選擇、分類、匹配和邏輯集、上下文關系與分區(qū)模式、檢索和識別算數(shù)和邏輯程序流程不確定確定（過程流程和和終止可預測）執(zhí)行動態(tài)（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生使得資源分配很難）靜態(tài)信息管理知識的表示和獲取復雜一般用構(gòu)造合理的數(shù)據(jù)對算法作出明確定義系統(tǒng)改進允許繼續(xù)進行改進幾乎沒有在線改進機制3、專家系統(tǒng)開發(fā)工具專家系統(tǒng)開發(fā)工具很多，但從專家系統(tǒng)的實現(xiàn)途徑看大致可劃分為四類：即用人工智能系統(tǒng)開發(fā)的通用程序設計語

7、言、專用知識表示和處理語言、專家系統(tǒng)外殼和專家系統(tǒng)開發(fā)工具箱(環(huán)境)。3.1通用人工智能語言目前最流行的人工智能語言是LISP、PROLOG和Smalltalk。它們都是適用于實現(xiàn)專家系統(tǒng)的程序設計語言，且各用其特點。LISP是函數(shù)型程序設計語言，具有很強的符號和數(shù)據(jù)處理能力，其程序有可能隨著執(zhí)行而不斷被改進和完善，因而具有一定的自學能力和智能性。PROLOG是一種用邏輯來進行程序設計的計算機語言，具有很強的邏輯推理能力，很適合于表達人類的思維和推理規(guī)則.這是PROLOG語言在人工智能領域與LISP一樣被廣泛應用的原因。Smlltalk語言是最有代表性的一個面向?qū)ο蟮某绦蛟O計語言，它對知識的描

8、述方式的最大特點是具有很好的模塊性，并且類間接口清楚，便于分工開發(fā)和調(diào)試。由于面向?qū)ο蟮姆椒ň哂斜姸嗟膬?yōu)點，近年來越來越受到軟件界的重視。3.2專用知識表示和處理語言知識的處理雖然也包含著對數(shù)據(jù)的處理，但主要是符號處理和邏輯處理，使用通用的人工智能程序設計語言來表示知識和處理知識，編程工作量大，需要較高的編程技巧。為解決這些困難和減少工作量，人工智能學者又開發(fā)了更專用的知識表示和處理語言，如有代表性的FRL、OPSS和KEE等。它們?yōu)橹R表示提供了固定模式，應用很方便。3.3專家系統(tǒng)外殼為了減少建造專家系統(tǒng)時的編程工作量，在知識表達、推理或執(zhí)行方式、解釋機構(gòu)以及學習機構(gòu)等方面預先形成基本固定的

9、模式，類似于有了一個“空架子”，這個“空架子”就叫做專家系統(tǒng)外殼。專家系統(tǒng)外殼的出現(xiàn)使專家系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)費大幅度降低，開發(fā)速度大為提高。專家系統(tǒng)外殼按其用途可分為三類：基于規(guī)則的外殼系統(tǒng)、歸納型外殼系統(tǒng)和基于混合知識表示的外殼系統(tǒng)。3.4專家系統(tǒng)開發(fā)工具箱為了克服前三種開發(fā)工具的缺點，軟件專家又設計了專家系統(tǒng)開發(fā)工具箱。該工具箱給開發(fā)者提供的既不僅僅是一個專家系統(tǒng)外殼，也不僅僅是簡單的一種開發(fā)語言，而是方便靈活、集成組織的、完整的一套工具。在專家系統(tǒng)的整個開發(fā)過程中都有較方便適用的工具可供用戶選擇。4、如何建立專家系統(tǒng)建立專家系統(tǒng)通常包括以下幾個步驟。(1)知識獲取知識獲取就是把解決問題所用的專

10、門知識從某些知識來源變換為計算機程序，知識獲取由計算機方面的工程師知識工程師來完成。(2)知識表達育式的選擇經(jīng)過多次和專家交換意見以及閱讀有關資料，知識工程師逐漸熟悉這個專門領域中的專門知識以后，就可以選擇合適的知識表達方法。所選擇的知識表達方法應該具有以下兩個性質(zhì)：a. 一具有表達專家知識的能力；b. 能簡單和方便地描述、修改和解釋系統(tǒng)中的知識。此外還需要在以計算機表達知識的方便性和結(jié)構(gòu)的復雜性之間加以平衡。(3)專家系統(tǒng)的建立a.知識庫初步設計。這又包括以下三個主要步驟：問題定義：規(guī)定目標、約束、知識來源、參加者以及他們的作用。概念化：詳細敘述向題如何分解成子問題；從假設、數(shù)據(jù)、中間推理、

11、概念等方面來說明每個子間題的組成；這些概念化如何影響可能的執(zhí)行過程。問題的計算機表達：為在概念化階段中確定了的子問題的各個組成部分選擇表達方式。這是第一個要求計算機執(zhí)行的階段。在這一階段中信息流的研究以及概念和數(shù)據(jù)的連接將更為完善。b.原型的發(fā)展和實驗一旦選定了知識表達方法，就可以著手執(zhí)行整個系統(tǒng)所需知識的原型子集。這個子集的選擇是關鍵性的。它必須包括有代表性的知識樣本，這些知識樣本對整個模型來說是有典型意義的，同時又必須只涉及對試驗是足夠簡單的子任務和推理過程。一旦原型產(chǎn)生了可接受的推理，這個原型就要擴展以包括它必須解釋的各種更為詳細的問題。然后，用更復雜的情況來進行試驗。這些比較復雜的情況

12、以后將被用作改善知識庫時的標準試驗集。這些試驗的結(jié)果一定會對間題的基本組成以及它們之間的關系作出許多調(diào)整。c.知識庫的改進和推廣如果要達到專家那樣很高的水平，這個階段將要花費相當長的時間。然而，經(jīng)過幾個月的努力，有可方面，達到令人相當滿意的性能。5、專家系統(tǒng)在機械制造領域中的應用實例機械制造中的工藝設計是結(jié)構(gòu)設計與制造間的紐帶。由于工藝設計的復雜程度很高，長期以來都由人工來完成。西安交通大學的XJDCAP是一工藝設計專家系統(tǒng)，它采用框架來描述零件和記錄工藝設計結(jié)果，用產(chǎn)生式規(guī)則表示車、銑、鉆、磨、熱處理工藝設計中的決策知識，用反向設計方式，進行模糊推理，可輸出合理完善的工藝文件及CNC機床程序

13、。下面簡略地介紹此系統(tǒng)的情況。5.1.XJDCAP系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成見圖2。系統(tǒng)采用GCLISP語言編寫，以回轉(zhuǎn)體零件為主要對象，工藝設計系統(tǒng)的輸入為零件模型，輸出為工藝文件。系統(tǒng)的輸入和輸出由框架處理模塊完成，設計由工藝決策模塊和規(guī)則集完成，數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的支持工具。系統(tǒng)中由零件模型和規(guī)則集組成知識庫。圖3 XJDCCAP系統(tǒng)組成圖5.2.零件的描述回轉(zhuǎn)體零件的形體組成可分成兩部分：基本形體及其特征要素。系統(tǒng)的基本形體包括：外圓柱、外圓錐、成形面、內(nèi)圓柱孔、內(nèi)圓錐孔等；特征要素包括內(nèi)外倒角、內(nèi)外螺紋、內(nèi)外圓角、內(nèi)外割槽、端面槽、滾花、鍵槽、外平面、軸向或徑向輔助孔。零件的信息可以表示為一棵

14、樹，具有樹干、樹枝和分枝。樹形的數(shù)據(jù)組織和框架的形式一樣，所以選用框架來形成零件的設計模型，它以嵌套的聯(lián)合表形式存入計算機中.用框架表示零件的模型可使零件描述得完整、準確、并易于建立、修改和檢索，也易于被產(chǎn)生式系統(tǒng)所接受。系統(tǒng)樞架與標準框架結(jié)構(gòu)的區(qū)別是聯(lián)結(jié)表的嵌套層次可以變化。5.3.工藝設計過程(1)規(guī)則基工藝設計知識用產(chǎn)生式規(guī)則表示，其形式為：（RULEnumber IF condition THEN Action cfv），其中number為規(guī)則號，conditions是條件，可以是多層的AND、OR、NOT嵌套，action是結(jié)論，可以是多條，cfv是可信度，值從-1到+1。若規(guī)則無c

15、fv值則為純規(guī)則，用來選用其它規(guī)則或確定其它參數(shù)。系統(tǒng)中有300多條規(guī)則，按類存貯和調(diào)用，以提高搜索效率，規(guī)則分如下幾類：1、毛坯選擇規(guī)則.2、最終加工方法選擇規(guī)則3、工序內(nèi)容確定和排序規(guī)則4、機床選擇規(guī)則5、裝夾方式選擇規(guī)則6、加工余量確定規(guī)則7、切削用量選擇規(guī)則(2)推理與搜索系統(tǒng)采用反向推理方式，即從零件的最終形狀和技術參數(shù)開始，逐步安排可達到當前零件狀態(tài)的加工工序，并不斷修改零件模型，直到零件不再需要加工形成毛坯為止。這樣的反向推理方式與人的設計思維過程接近。而且零件的設計要求作為唯一的目標，避免了盲目性，易保證質(zhì)量。最終加工方法確定，對于每一基本形體，按照工件材料和它的技術要求等等因

16、素，適用的加工方法可能不止一個。系統(tǒng)采用逆向推理獲得最佳解。即用目的制異規(guī)則給出該基本形體可能的加工方法，把這些加工方法再作為假設結(jié)論(目的)，然后調(diào)用可形成這個結(jié)論的規(guī)則，判別規(guī)則中的條件是否存在。如果條件中的事實能從零件模型和已編的工藝內(nèi)容中得到，則直接判斷其存在性。否則，將事實再作為子目的(結(jié)論)繼續(xù)查找下去。這樣決定基本形體最終成形方法的推理過程就是一個AND、OR樹，搜索方法就是深度優(yōu)先法。取可信度最大的那個結(jié)論為最終結(jié)論。6、專家系統(tǒng)的展望知識工程未來的發(fā)展，將對人類生活與社會產(chǎn)生重大的影響。事實上，專家系統(tǒng)并不能完全取代人與專家的地位，而是幫助人與專家，將工作推進至另一更具智慧的層次。由于專家系統(tǒng)的設計與建立，具有相當高的難度需要相當多人力的投入，而其