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(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用情況。關(guān)健詞：專家系統(tǒng)綜述1、什么是專家系統(tǒng)人工智能（ArtifieialInteligenee簡稱Al）被譽(yù)為本世紀(jì)的三大科學(xué)技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域的專家系統(tǒng)（ExpertSystem簡稱ES）的出現(xiàn)，使得人工智能的研究從實(shí)驗(yàn)室走向了現(xiàn)實(shí)世界。所謂專家系統(tǒng)實(shí)際上是一個（或一組）能在某特定領(lǐng)域內(nèi).以人類專家水平去解決該領(lǐng)域中困難問題的計(jì)算機(jī)程序?；蛘哒f，專家系統(tǒng)是這樣一個系統(tǒng)：a.專家系統(tǒng)處理現(xiàn)實(shí)世界中提出的需要由專家來分析和判斷的復(fù)雜問題。b.專家系統(tǒng)利

2、用專家推理方法的計(jì)算機(jī)模型來解決問題，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(jī)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(jī)系統(tǒng)的方法和技術(shù)。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(jī)和人機(jī)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。與沖舉更隹打三，鋰a.知識庫知識庫是領(lǐng)域知識

3、的存儲器。它存儲專家經(jīng)驗(yàn)、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(shí)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(shí)性和完善性。要建立一個知識庫，首先要從領(lǐng)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)并存入計(jì)算機(jī)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(lǐng)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(dāng)前要處理的對象的一些事實(shí)。c推理機(jī)推理機(jī)是用來控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的。它根據(jù)當(dāng)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(dāng)前的問題

4、.并把結(jié)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?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)是模擬人類專家進(jìn)行工作，所以推理機(jī)的推理過程應(yīng)與專家的推理過程盡可能一致。d.人機(jī)接口人機(jī)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(jī)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(xué)習(xí)和維護(hù)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(kuò)充知識庫中的知識提供手段。這里指的是機(jī)器自動實(shí)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

5、重要的作用。通常，它應(yīng)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(shí)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(shí)際上是一種學(xué)習(xí)功能。專家系統(tǒng)的一個重要特征是知識庫與推理機(jī)分離，系統(tǒng)允許在運(yùn)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(dāng)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(diǎn)是運(yùn)用知識進(jìn)行推量，因此知識獲?。òㄈ斯し绞降闹R獲取和機(jī)器學(xué)習(xí)）、知識表示和知識運(yùn)用是建造專家系統(tǒng)的三個核心部分。另外專家系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)符號處理，并希望

6、有一個理想的人機(jī)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(jìn)行信息的交流。這些都是傳統(tǒng)程序所不具備的特點(diǎn)。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(guān)算數(shù)和邏輯系與分區(qū)模式、檢索和識別程序流程不確定確定（過程流程和和終止可預(yù)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狀取復(fù)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(jìn)允許繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)幾乎沒有在線改進(jìn)機(jī)制豕系統(tǒng)開發(fā)3、專家系統(tǒng)開發(fā)工具具很多，但從專家系統(tǒng)的實(shí)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(shè)計(jì)

7、語言、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(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語言，且各用其特點(diǎn)。LISP是函數(shù)型程序設(shè)計(jì)語言，具有很強(qiáng)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(jìn)和完善，因而具有一定的自學(xué)能力和智能性。PROLOG是一種用邏輯來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)語言，具有很強(qiáng)的邏輯推理能力，很適合于表達(dá)人類的思維和推理規(guī)則.這是PROLOG語言在人工智能領(lǐng)域與LISP一樣被廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)語言，它對知識

8、的描述方式的最大特點(diǎn)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(diǎn)，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(shè)計(jì)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(xué)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(yīng)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(dá)、推理或執(zhí)行方式、解釋機(jī)構(gòu)以及學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)等方面預(yù)先形成基

9、本固定的模式，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(fèi)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(diǎn)，軟件專家又設(shè)計(jì)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

10、題所用的專門知識從某些知識來源變換為計(jì)算機(jī)程序，知識獲取由計(jì)算機(jī)方面的工程師一知識工程師來完成。(2)知識表達(dá)育式的選擇經(jīng)過多次和專家交換意見以及閱讀有關(guān)資料，知識工程師逐漸熟悉這個專門領(lǐng)域中的專門知識以后，就可以選擇合適的知識表達(dá)方法。所選擇的知識表達(dá)方法應(yīng)該具有以下兩個性質(zhì)：a.一具有表達(dá)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(jì)算機(jī)表達(dá)知識的方便性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性之間加以平衡。(3)專家系統(tǒng)的建立a知識庫初步設(shè)計(jì)。這又包括以下三個主要步驟：問題定義：規(guī)定目標(biāo)、約束、知識來源、參加者以及他們的作用。概念化：詳細(xì)敘述向題如何分解成子問題；從假設(shè)、數(shù)據(jù)、中間

11、推理、概念等方面來說明每個子問題的組成；這些概念化如何影響可能的執(zhí)行過程。問題的計(jì)算機(jī)表達(dá)：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(dá)方式。這是第一個要求計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)一旦選定了知識表達(dá)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(guān)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(yàn)是足夠簡單的子任務(wù)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(kuò)展以包括它必須解釋的各種更為詳細(xì)的問題。然后，用更復(fù)雜的情況來進(jìn)行試驗(yàn)。這些比較復(fù)雜

12、的情況以后將被用作改善知識庫時的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)集。這些試驗(yàn)的結(jié)果一定會對問題的基本組成以及它們之間的關(guān)系作出許多調(diào)整。c.知識庫的改進(jìn)和推廣如果要達(dá)到專家那樣很高的水平，這個階段將要花費(fèi)相當(dāng)長的時間。然而,經(jīng)過幾個月的努力，有可方面，達(dá)到令人相當(dāng)滿意的性能。5、專家系統(tǒng)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例機(jī)械制造中的工藝設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造間的紐帶。由于工藝設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度很高，長期以來都由人工來完成。西安交通大學(xué)的XJDCAP是一工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，它采用框架來描述零件和記錄工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，用產(chǎn)生式規(guī)則表示車、銃、鉆、磨、熱處理工藝設(shè)計(jì)中的決策知識，用反向設(shè)計(jì)方式，進(jìn)行模糊推理，可輸出合理完善的工藝文件及CNC機(jī)

13、床程序。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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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3XJDCCAP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

14、示為一棵樹，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(shè)計(jì)模型，它以嵌套的聯(lián)合表形式存入計(jì)算機(jī)中用框架表示零件的模型可使零件描述得完整、準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)過程規(guī)則基工藝設(shè)計(jì)知識用產(chǎn)生式規(guī)則表示，其形式為：(RULEnumberIFconditionTHENActioncfv),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cfv值則

15、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(jī)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(shù)參數(shù)開始，逐步安排可達(dá)到當(dāng)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(shè)計(jì)思維過程接近。而且零件的設(shè)計(jì)要求作為唯一的目標(biāo)，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(shù)要求等等因素，適用

16、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(shè)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(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)至另一更具智慧的層次。由于專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立，具有相當(dāng)高的難度需要相當(dāng)多人力的投入，而