第四章專家系統(tǒng)

1、第四章 專家系統(tǒng)4.1 專家系統(tǒng)基本概念 一 專家系統(tǒng)：模仿人類專家，使用特定的知識(shí)和一定的推理方法解決專門領(lǐng)域問(wèn)題的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。人工智能發(fā)展歷史中第一個(gè)真正投入商用的研究成果。專家系統(tǒng)的四個(gè)要素： (1) 應(yīng)用于某專門領(lǐng)域。 (2) 擁有專家級(jí)知識(shí)。 (3) 能模擬專家的思維。 (4) 能達(dá)到專家級(jí)水平。 常規(guī)系統(tǒng)和程序常規(guī)系統(tǒng)和程序?qū)＜蚁到y(tǒng)專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法算法知識(shí)知識(shí)+推理推理問(wèn)題求解的知識(shí)隱含問(wèn)題求解的知識(shí)隱含于程序中于程序中將專門知識(shí)獨(dú)立成知將專門知識(shí)獨(dú)立成知識(shí)庫(kù)識(shí)庫(kù)面向數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)面向數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)推理推理面向符號(hào)推理面向符號(hào)推理處理多為精確數(shù)據(jù)處理多為精確數(shù)據(jù)多為不

2、精確、模糊數(shù)多為不精確、模糊數(shù)據(jù)據(jù)常無(wú)解釋常無(wú)解釋有解釋有解釋專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)推 理 機(jī)（INFERENCE ENGINE）知識(shí)庫(kù)（事實(shí)庫(kù)+規(guī)則庫(kù)）問(wèn)題解答KNOWLEDGE BASE2 一般結(jié)構(gòu)用戶用戶接口用戶接口解釋機(jī)構(gòu)解釋機(jī)構(gòu)推理機(jī)推理機(jī) 解釋器 調(diào)度器推出斷言 沖突消解器推薦的行動(dòng)黑板工作存儲(chǔ)器專家知識(shí)知識(shí)工程師知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)（事實(shí)與規(guī)則）開發(fā)環(huán)境咨詢環(huán)境知識(shí)精練專家系統(tǒng)歷史1956-1965：通用問(wèn)題求解器（General-purpose Solver GPS)，專家系統(tǒng)的前驅(qū)；1965-1980：早期的專家系統(tǒng)。DENDRAL，MYCIN等。第一代（60年代）：高度專業(yè)化，結(jié)

3、構(gòu)功能不完整，移植性差；專門問(wèn)題求解能力強(qiáng)，但缺乏推理解釋功能。1980-至今：商用專家系統(tǒng)，XCON、XSEL、CATS-1、 工具：多學(xué)科綜合性應(yīng)用；專家系統(tǒng)開發(fā)工具；大型知識(shí)工程系統(tǒng)。第二代ES： MYCIN、PROSPECTOR，數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)專家AM：?jiǎn)螌W(xué)科專業(yè)型應(yīng)用系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)較完整，功能較全面；具有推理解釋功能，透明性好；采用啟發(fā)推理，非精確推理；用各種方法表達(dá)知識(shí)；LISP語(yǔ)言編碼。三 專家系統(tǒng)的特點(diǎn) 專家系統(tǒng)善于解決那些不確定性的、 非結(jié)構(gòu)化的、沒(méi)有算法解或雖有算法解但在現(xiàn)有的機(jī)器上無(wú)法實(shí)施的困難問(wèn)題。例如,醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探、天氣預(yù)報(bào)、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、管理決策、軍事指揮等領(lǐng)域的問(wèn)題。專家

4、系統(tǒng)則是靠知識(shí)和推理來(lái)解決問(wèn)題(不像傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)使用固定的算法來(lái)解決問(wèn)題), 所以, 專家系統(tǒng)是基于知識(shí)的智能問(wèn)題求解系統(tǒng)。 從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)看, 專家系統(tǒng)則強(qiáng)調(diào)知識(shí)與推理的分離, 因而系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴(kuò)充性。具有解釋功能, 即在運(yùn)行過(guò)程中一方面能回答用戶提出的問(wèn)題,另一方面還能對(duì)最后的輸出(結(jié)論)或處理問(wèn)題的過(guò)程作出解釋。具有“自學(xué)習(xí)”能力, 即不斷對(duì)自己的知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)充、完善和提煉。這一點(diǎn)是傳統(tǒng)系統(tǒng)所無(wú)法比擬的。專家系統(tǒng)不像人那樣容易疲勞、遺忘,易受環(huán)境、情緒等的影響, 它可始終如一地以專家級(jí)的高水平求解問(wèn)題。專家系統(tǒng)用途及分類用途：一般而言：（1）知識(shí)利用、保存和傳播的現(xiàn)代化工具，可

5、以保存、復(fù)制、轉(zhuǎn)移、傳播知識(shí)，便于專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的推廣和應(yīng)用；（2）人工智能和知識(shí)工程技術(shù)的開發(fā)工具和環(huán)境。分類不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，得到不同的分類結(jié)果。 從專家系統(tǒng)的特性及處理問(wèn)題的類型分類：診斷型。根據(jù)輸入信息推出相應(yīng)對(duì)象存在的故障、找出產(chǎn)生故障的原因并給出排除故障方案的一類專家系統(tǒng)。如醫(yī)療診斷、機(jī)器故障診斷、產(chǎn)品質(zhì)量鑒定等專家系統(tǒng)。預(yù)測(cè)型。根據(jù)相關(guān)對(duì)象的過(guò)去及當(dāng)前狀況來(lái)推測(cè)未來(lái)情況的一類專家系統(tǒng)。如天氣預(yù)報(bào)、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、地震預(yù)報(bào)等。決策型。利用已知信息通過(guò)推理幫助決策的專家系統(tǒng)。如智能決策支持系統(tǒng)。設(shè)計(jì)型。按給定要求進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)的一類專家系統(tǒng)。如工程設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、建筑及裝潢設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)等領(lǐng)域

6、。規(guī)劃型。按給定目標(biāo)擬定總體規(guī)劃、行動(dòng)計(jì)劃、運(yùn)籌優(yōu)化等的一類專家系統(tǒng)。如機(jī)器人動(dòng)作控制、工程規(guī)劃、軍事行動(dòng)規(guī)劃等?？刂菩?。用于對(duì)各種大型設(shè)備及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的一類專家系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)型。用于完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)的一類專家系統(tǒng)。如病人監(jiān)護(hù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、航空監(jiān)管等。教育型。能用于輔助教學(xué)的專家系統(tǒng)。如制訂教學(xué)計(jì)劃、設(shè)計(jì)習(xí)題、水平測(cè)試等。按知識(shí)表示及實(shí)現(xiàn)：基于規(guī)則的專家系統(tǒng)；基于框架的專家系統(tǒng)；基于模型的專家系統(tǒng)；按輸出結(jié)果分類分析型。工作性質(zhì)屬于邏輯推理，輸出結(jié)果是個(gè)“結(jié)論”。如診斷型、解釋型、預(yù)測(cè)型、決策型都屬于分析型專家系統(tǒng)。設(shè)計(jì)型。工作性質(zhì)屬于某種“操作”，輸出結(jié)果是一個(gè)“方案”。4.2 血液感染病醫(yī)療診

7、斷系統(tǒng)MYCIN 是一個(gè)幫助內(nèi)科醫(yī)生診治感染性疾病的專家系統(tǒng)。1978年完成，LISP編寫。一 結(jié)構(gòu)1 數(shù)據(jù)庫(kù)：存放病人數(shù)據(jù)、事實(shí)、化驗(yàn)結(jié)果2 咨詢子系統(tǒng)：推理機(jī)及用戶接口3 解釋子系統(tǒng)：回答用戶有關(guān)問(wèn)題求解等的提問(wèn)4 知識(shí)庫(kù)：存放規(guī)則知識(shí)5 知識(shí)(規(guī)則）獲取子系統(tǒng)：獲取知識(shí)表示數(shù)據(jù)：（對(duì)象 屬性 值 可信度）（PATIENT-1 SEX MALE 1.0）靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、上下文特性等。規(guī)則：（前提 結(jié)論 可信度）RULE *：PREMISE： &AND ( ) ( ) .ACTION： （CONCLUDE . TALLY CF）組織上下文：與診斷相關(guān)的項(xiàng)目、對(duì)應(yīng)描述的對(duì)象。MYC

8、IN中定義10種上下文，可以視為治療需要考慮的相關(guān)數(shù)據(jù)和問(wèn)題：病人狀況、培養(yǎng)物/化驗(yàn)、細(xì)菌、病人已服用藥物、正在接受的治療、正在考慮的處方、以前取得的培養(yǎng)物、以前服用的抗生素、以前分離的細(xì)菌等。在咨詢和求解過(guò)程中根據(jù)上下文特性逐漸建立起上下文樹。上下文樹的例子 CURCULS正在從中分離細(xì)菌的培養(yǎng)物 CURORGS目前從培養(yǎng)物中分離出的細(xì)菌OPDRGS在最近治療過(guò)程中病人已服用的抗生素藥物PERSON病人狀況 POSSTHER正在考慮的處方PRIORCULS以前取得的培養(yǎng)物 PRIORDRGS病人以前服過(guò)的抗生素PRIORORGS以前分離的細(xì)菌 OPERS病人正在接受的治療上下文特性：Asso

9、cwith：父輩節(jié)點(diǎn)的上下文類型；Subject：可用于此類上下文的規(guī)則表；MainProps：上下文的參數(shù)，當(dāng)此類上下文被例示時(shí)，就立即跟蹤此表中參數(shù)；Prompt1：提問(wèn)，是否已有此類型上下文。Prompt2參數(shù)：上下文、對(duì)象屬性Person ：Sex , Name, Age , Regimen等屬性。每一個(gè)參數(shù)有相關(guān)的一組屬性，例如：LABDATA：表明數(shù)據(jù)是由用戶直接給出還是需要進(jìn)行推理得到；LOOKAHEAD：在前提中引用該參數(shù)的所有規(guī)則；UPDATED BY：能更新此參數(shù)的所有規(guī)則；CONTAINED IN：在操作部分引用此參數(shù)，但并不改變其值的所有規(guī)則。3 規(guī)則 除了PREMIS

10、E、ACTION外，還有以下兩參數(shù)影響其使用：CATEGORY：規(guī)則按上下文進(jìn)行分類，每條規(guī)則只能用于某幾個(gè)上下文類；SELFREF：規(guī)則是否自引用。規(guī)則047，用對(duì)象、屬性、值的三元組的形式存于知識(shí)庫(kù)中 推理控制1 主要思想：此類病診斷正常過(guò)程：（1）確定是否有重要病菌感染；（2）確定病菌類型；（3）確定抗菌類型；（4）優(yōu)選治療方案。MYCIN采用逆向推理，深度優(yōu)先搜索策略。2 主要過(guò)程 （1)賦于這個(gè)上下文一個(gè)名稱；(2) 把這個(gè)上下文加到上下文樹上去；(3) 馬上跟蹤這類上下文的MAINPROPS表中的參數(shù)。 對(duì)于新的病人建立PERSON名稱的上下文，跟蹤其參數(shù)；PERSON四個(gè)參數(shù)中，

11、只有REGIMEN為非LABDATA；在操作部分涉及它的只有一條規(guī)則：規(guī)則092IF 存在一種病菌需要處理某些病菌雖然沒(méi)有出現(xiàn)在目前的培養(yǎng)物中，但已經(jīng)注意到它們需要處理THEN 根據(jù)病菌對(duì)藥物的敏感情況，編制一個(gè)可能抑制該病菌的處方表 從處方表中選擇最佳的處方 ELSE 病人不必治療 在規(guī)則前提的第一和第二個(gè)子句中，涉及到第二個(gè)參數(shù)TREATFOR和COVERFOR。這二個(gè)參數(shù)都是PROP-PT，并且是“是非”型的。對(duì)這二個(gè)參數(shù)求值，就引起了長(zhǎng)長(zhǎng)的咨詢過(guò)程。 TREATFOR表示需要處理的細(xì)菌，它不是LABDATA參數(shù)，所以系統(tǒng)試圖引用所有的在這個(gè)參數(shù)的UPDATED-BY特性中所列出的規(guī)則來(lái)

12、推論它的值： IF 已知細(xì)菌的類別 存在和這種細(xì)菌的出現(xiàn)有關(guān)的顯著的病癥 THEN 肯定存在一種需要處理的細(xì)菌(可信度1.0) 這是一條CURORGRULE規(guī)則。通過(guò)檢查它的CATEGORY特性知道，它只能用于CURORGS細(xì)菌類型的上下文。當(dāng)前所研究的PATIENT-1的上下文類型是PERSON，不是細(xì)菌，所以MYCIN試圖用動(dòng) 態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的上下文樹來(lái)鑒別PATIENT-1的所有的屬于細(xì)菌類型的后代。因?yàn)榈侥壳盀橹?，還沒(méi)有細(xì)菌類型的上下文的例示。MYCIN需要建立這樣的例示。 系統(tǒng)檢驗(yàn)細(xì)菌類型上下文是否可能是PERSON類型上下文的直接后代，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不行。細(xì)菌類型上下文的ASSOCWITH特

13、性是CURCULS培養(yǎng)物。這表明細(xì)菌的父輩上下文類型必須是培養(yǎng)物。相應(yīng)地，MYCIN檢查是否可能例示培養(yǎng)物類型的上下文，因?yàn)榕囵B(yǎng)物的ASSOCWITH特性是PERSON。而PERSON類型上下文已存在，所以可例示培養(yǎng)物上下文作為PATIENT-1的直接后代。系統(tǒng)就進(jìn)行這個(gè)過(guò)程。 新節(jié)點(diǎn)加入需考慮父子關(guān)系，父不存在，需先建父。當(dāng)每個(gè)上下文被例示時(shí)，它的MAINPROPS參數(shù)就被跟蹤。參數(shù)是LABDATA參數(shù)，馬上要向用戶詢問(wèn)。 上下文樹的構(gòu)成MYCIN的控制策略是由目標(biāo)引導(dǎo)的逆向推理。系統(tǒng)首先引用目標(biāo)規(guī)則以推論P(yáng)ATIENT-1的REGIMEN參數(shù)。系統(tǒng)需要跟蹤在規(guī)則的前提部分中涉及的參數(shù)TRE

14、ATFOR和COVERPOR。跟蹤的方法是依次地調(diào)用所有可以決定這二個(gè)參數(shù)的規(guī)則。每當(dāng)這些規(guī)則被調(diào)用時(shí)，MYCIN通過(guò)調(diào)用更進(jìn)一步的規(guī)則來(lái)跟蹤它的前提部分中的參數(shù)，產(chǎn)生式系統(tǒng)的IF-THEN規(guī)則組 成了與或樹。繼續(xù)跟蹤過(guò)程就導(dǎo)致了在由規(guī)則所組成的與或樹中的深度優(yōu)先的搜索過(guò)程。 對(duì)規(guī)則處理，條件匹配；兩個(gè)過(guò)程：MONITOR和FINDOUT；MONITOR用于分析規(guī)則；FINDOUT為MONITOR找所需要的數(shù)據(jù)。解釋提供解釋機(jī)制。4.3 專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建立設(shè)計(jì)內(nèi)容知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)：在知識(shí)表達(dá)的基礎(chǔ)上，根據(jù)形式化的知識(shí)模型和相應(yīng)的符號(hào)結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)具有知識(shí)存儲(chǔ)、檢索、編排等的知識(shí)

15、數(shù)據(jù)庫(kù)：（1）庫(kù)中存儲(chǔ)知識(shí)的類別：敘述/過(guò)程/控制等；（2）表達(dá)方法的選擇：適用性/可擴(kuò)性/有效性等； 多種方法的綜合：混合式/組合式/層次式（3）知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)：可借鑒和利用DBMS的設(shè)計(jì)思想和方法。接口設(shè)計(jì)（1）用戶和系統(tǒng)接口：咨詢、解釋；（2）專家和系統(tǒng)接口：知識(shí)獲取。（1）控制策略：正向/逆向/綜合（2）推理方法 追求效果與效率。推理機(jī)設(shè)計(jì)：根據(jù)知識(shí)表達(dá)、知識(shí)推理方法和推理控制策略，設(shè)計(jì)求解專門問(wèn)題、具有推理、解釋等功能的部分。知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體分析與設(shè)計(jì) 知 識(shí) 獲 取 知識(shí)表示與知識(shí)描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)推理機(jī)設(shè)計(jì)解釋模塊設(shè)計(jì)總控與界面設(shè)計(jì)其它功能模塊設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì) 編 程 與

16、 調(diào) 試 測(cè) 試 與 評(píng) 價(jià) 運(yùn) 行 與 維 護(hù)設(shè)計(jì)與開發(fā)步驟開發(fā)步驟建造步驟：一般性步驟，特定情況有特殊的處理方式，核心是建立知識(shí)庫(kù)和推理模式。（1）設(shè)計(jì)初始知識(shí)庫(kù)：將專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，提煉/描述，機(jī)器、問(wèn)題適合的恰當(dāng)形式。原型機(jī)的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)確認(rèn)問(wèn)題表達(dá)概念形成結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)驗(yàn)證改進(jìn)完善重新設(shè)計(jì)重新描述確認(rèn)：明確任務(wù)、目標(biāo)、條件、資源、環(huán)境；概念化：概念化知識(shí)模型，文字/圖形；形式化：形式化知識(shí)模型，符號(hào)；實(shí)現(xiàn)：生成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)；測(cè)試和修改。建造中問(wèn)題確定專門任務(wù)，確定ES適合開發(fā)的問(wèn)題：（1）具有適合采用ES技術(shù)開發(fā)的基本條件依靠經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)；存在真正合適的領(lǐng)域?qū)＜?；有明確開發(fā)目標(biāo)，不太

17、難實(shí)現(xiàn)；（2）存在運(yùn)用ES技術(shù)開發(fā)的理由：有較高效益；某些專門知識(shí)可能失傳；需要專門知識(shí)；（3）具有適合ES開發(fā)的任務(wù)特性：需符號(hào)處理的任務(wù)；需試探性求解任務(wù)；具實(shí)際價(jià)值任務(wù)。2 采用原型法，漸增式方法；3 領(lǐng)域?qū)＜?、系統(tǒng)工程師/知識(shí)工程師的合作；4 用戶參與；5 采用輔助工具；推理中的問(wèn)題：（1）首先考慮確定的事物；（2）對(duì)于規(guī)則的表達(dá)方式，改善規(guī)則區(qū)別能力；（3）采用不同的推理方法小空間/不可靠數(shù)據(jù)或知識(shí)/大搜索空間等。7 測(cè)試時(shí)，各種不同事例來(lái)進(jìn)行。專家系統(tǒng)中的知識(shí)問(wèn)題 知識(shí)獲取內(nèi)容：知識(shí)抽?。簩⑻N(yùn)涵于知識(shí)源（領(lǐng)域?qū)＜?、書本、相關(guān)論文及系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐等）中的知識(shí)經(jīng)識(shí)別、理解、篩選、歸納等

18、抽取出來(lái)；知識(shí)轉(zhuǎn)換：將原始知識(shí)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可表示的；知識(shí)輸入：知識(shí)經(jīng)過(guò)編輯、編譯送入知識(shí)庫(kù)；知識(shí)檢測(cè)：獲取方式： 非自動(dòng)獲取：從領(lǐng)域?qū)＜?、書本等?jīng)知識(shí)編輯器； 自動(dòng)獲?。篍S自身學(xué)習(xí)功能。知識(shí)檢測(cè)和求精知識(shí)的一致性和完整性：知識(shí)冗余：等價(jià)規(guī)則/冗余規(guī)則鏈/冗余條件；IF P AND Q THEN RIF P ANDQ THEN R知識(shí)矛盾：IF P THEN RIF P THEN R條件從屬規(guī)則：根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷；IF P AND Q THEN R；IF Q THEN R；環(huán)路：規(guī)則形成循環(huán)鏈路；IF P THEN Q；IF Q THEN T；IF T THEN P；知識(shí)檢測(cè)：（1）靜態(tài)檢測(cè)：知識(shí)輸入前的檢測(cè)； 動(dòng)態(tài)檢測(cè)：知識(shí)庫(kù)進(jìn)行增、刪、改等維護(hù)時(shí)的檢測(cè)；（2）基于經(jīng)典邏輯的檢測(cè)方法：通過(guò)對(duì)條件、結(jié)論等相應(yīng)部分的邏輯表達(dá)式進(jìn)行比較，判斷其等價(jià)、矛盾等特性。 P Q (PQ) 將邏輯表達(dá)式變?yōu)榻y(tǒng)一的形式，例如同為合取范式。冗余檢測(cè)：等價(jià)規(guī)則/等價(jià)規(guī)則鏈/冗余條件等。r1:IF P THEN Q；r2:IF Q THEN R；r3:IF R THEN S；r4:IF P THEN T；r5:IF T THEN S；r1:PQr2: QRr3