人工智能及其應(yīng)用6課件.pptx

1、第6章 專家系統(tǒng)6.1 專家系統(tǒng)概述 6.5 新型專家系統(tǒng)6.2 基于規(guī)則的專家系統(tǒng) 6.6 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.3 基于框架的專家系統(tǒng) 6.7 專家系統(tǒng)開發(fā)工具6.4 基于模型的專家系統(tǒng) 6.8 小結(jié)6.1 專家系統(tǒng)概述專家系統(tǒng)(expert system)是人工智能應(yīng)用研究最活躍和最廣泛的課題之一,是目前AI應(yīng)用研究的主要領(lǐng)域之一。定義：是一個(gè)含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題；專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。 2 6.1 專家系統(tǒng)概述6.1.1 專家系統(tǒng)特點(diǎn)專家系統(tǒng)具有一些共同的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)專

2、家系統(tǒng)具有下列3個(gè)特點(diǎn)： 啟發(fā)性透明性靈活性專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)存在八個(gè)方面 36.1.2 專家系統(tǒng)的類型 解釋專家系統(tǒng) 預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)規(guī)劃專家系統(tǒng)6.1 專家系統(tǒng)概述監(jiān)視專家系統(tǒng)控制專家系統(tǒng)調(diào)試專家系統(tǒng)教學(xué)專家系統(tǒng)修理專家系統(tǒng)41.解釋專家系統(tǒng)(expert system for interpretation)任務(wù) 通過對(duì)已知信息與數(shù)據(jù)的分析與解釋，確定它們的涵義；特點(diǎn)數(shù)據(jù)量很大，常不準(zhǔn)確、有錯(cuò)誤、不完全能從不完全的信息中得出解釋，并能對(duì)數(shù)據(jù)做出某些假設(shè)推理過程可能很復(fù)雜和很長(zhǎng)例子 語(yǔ)音理解、圖象分析、系統(tǒng)監(jiān)視、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析和信號(hào)解釋等6.1 專家系統(tǒng)概述52. 預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)

3、(expert system for prediction)任務(wù) 通過對(duì)過去與現(xiàn)在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況。特點(diǎn)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化，且可能是不準(zhǔn)確和不完全系統(tǒng)需要有適應(yīng)時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)模型例子 有氣象預(yù)報(bào)、軍事預(yù)測(cè)等6.1 專家系統(tǒng)概述63. 診斷專家系統(tǒng)(expert system for diagnosis)任務(wù) 根據(jù)觀察到的情況(數(shù)據(jù))來推斷出某個(gè)對(duì)象機(jī)能失常(即故障)的原因特點(diǎn)能夠了解被診斷對(duì)象或客體各組成部分的特性以及它們之間的聯(lián)系能夠區(qū)分一種現(xiàn)象及其所掩蓋的另一種現(xiàn)象能夠向用戶提出測(cè)量的數(shù)據(jù)，并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷 例子 有醫(yī)療診斷等 6.1 專家系

4、統(tǒng)概述74. 設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)(expert system for design)任務(wù) 尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟特點(diǎn)從多種約束中得到符合要求的設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間能試驗(yàn)性地構(gòu)造出可能設(shè)計(jì)，易于修改能夠使用已有設(shè)計(jì)來解釋當(dāng)前新的設(shè)計(jì)例子 VAX計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)等6.1 專家系統(tǒng)概述85.規(guī)劃專家系統(tǒng)(expert system for planning)任務(wù) 尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟特點(diǎn)所要規(guī)劃的目標(biāo)可能是動(dòng)態(tài)的或靜態(tài)的，需要對(duì)未來動(dòng)作做出預(yù)測(cè)所涉及的問題可能很復(fù)雜 例子 軍事指揮調(diào)度系統(tǒng)、ROPES機(jī)器人規(guī)劃專家系統(tǒng)、汽車和火車運(yùn)行調(diào)度專家系統(tǒng)

5、等。6.1 專家系統(tǒng)概述96.監(jiān)視專家系統(tǒng)(expert system for monitoring) 任務(wù) 對(duì)系統(tǒng)、對(duì)象或過程的行為進(jìn)行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應(yīng)當(dāng)具有的行為進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報(bào)特點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)具有快速反應(yīng)能力系統(tǒng)發(fā)出的警報(bào)要有很高的準(zhǔn)確性系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地處理其輸入信息例子 粘蟲測(cè)報(bào)專家系統(tǒng)6.1 專家系統(tǒng)概述107. 控制專家系統(tǒng)(expert system for control)任務(wù) 自適應(yīng)地管理一個(gè)受控對(duì)象或客體的全面行為，使之滿足預(yù)期要求特點(diǎn) 控制專家系統(tǒng)具有解釋、預(yù)報(bào)、診斷、規(guī)劃和執(zhí)行等多種功能例子 空中交通管制、商業(yè)管理、自主機(jī)器人控制、作戰(zhàn)管理、生

6、產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)質(zhì)量控制等6.1 專家系統(tǒng)概述118. 調(diào)試專家系統(tǒng)(expert system for debugging) 任務(wù) 對(duì)失靈的對(duì)象給出處理意見和方法特點(diǎn) 同時(shí)具有規(guī)劃、設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)和診斷等專家系統(tǒng)的功能例子 在這方面的實(shí)例還比較少見6.1 專家系統(tǒng)概述129. 教學(xué)專家系統(tǒng)(expert system for instruction) 特點(diǎn)同時(shí)具有診斷和調(diào)試等功能具有良好的人機(jī)界面例子 MACSYMA符號(hào)積分與定理證明系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和物理智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)等6.1 專家系統(tǒng)概述1310. 修理專家系統(tǒng)(expert system for repair)任務(wù) 對(duì)發(fā)生故

7、障的對(duì)象(系統(tǒng)或設(shè)備)進(jìn)行處理，使其恢復(fù)正常工作功能 有診斷、調(diào)試、計(jì)劃和執(zhí)行等功能例子 ACI電話和有線電視維護(hù)修理系統(tǒng)6.1 專家系統(tǒng)概述146.1.3專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和建造步驟定義：指專家系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)造方法和組織形式專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6.1 專家系統(tǒng)概述知識(shí)庫(kù)推理機(jī)專家知識(shí)輸入或提問答案圖6.1專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖15圖6.2則為理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖接口用戶事實(shí)規(guī)則計(jì)劃議程中間解黑板知識(shí)庫(kù)解釋器執(zhí)行器調(diào)度器協(xié)調(diào)器6.1 專家系統(tǒng)概述16一般應(yīng)用程序與專家系統(tǒng)的區(qū)別：一般應(yīng)用程序?qū)＜蚁到y(tǒng) 把問題求解的知識(shí)隱含地編入程序。 把知識(shí)組織為兩級(jí)：數(shù)據(jù)級(jí)和程序級(jí)。 把其應(yīng)用領(lǐng)域的問題求解知識(shí)單獨(dú)組成一

8、個(gè)實(shí)體。即為知識(shí)庫(kù)。 將知識(shí)組織成三級(jí)；數(shù)據(jù)、知識(shí)庫(kù)和控制。6.1 專家系統(tǒng)概述17專家系統(tǒng)的主要組成部分知識(shí)庫(kù)（Knowledge Base）綜合數(shù)據(jù)庫(kù)（Global Database）推理機(jī)（Reasoning Machine）解釋器（Explanator）人機(jī)接口（Interface）18知識(shí)化問題圖6.3建立專家系統(tǒng)的步驟合法化概念化形式化規(guī)則化知識(shí)概念結(jié)構(gòu)形式規(guī)則再設(shè)計(jì)改進(jìn)重新闡述2. 專家系統(tǒng)的建造步驟6.1 專家系統(tǒng)概述19建立系統(tǒng)的一般步驟如下設(shè)計(jì)初始知識(shí)庫(kù)問題知識(shí)化知識(shí)概念化概念形式化形式規(guī)則化規(guī)則合法化原型機(jī)（prototype）的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)的改進(jìn)與歸納 規(guī)則6.1

9、專家系統(tǒng)概述206.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)（規(guī)則）工作存儲(chǔ)器（事實(shí)）推理機(jī)1.基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的工作模型 圖6.4 基于規(guī)則的工作模型21基于規(guī)則的專家系統(tǒng)采用下列模塊來建立產(chǎn)生式系統(tǒng)的模型：知識(shí)庫(kù) 以一套規(guī)則建立人的長(zhǎng)期存儲(chǔ)器模型工作存儲(chǔ)器 建立人的短期存儲(chǔ)器模型，存放問題事實(shí)和由規(guī)則激發(fā)而推斷出的新事實(shí)推理機(jī) 借助于把存放在工作存儲(chǔ)器內(nèi)的問題事實(shí)和存放在知識(shí)庫(kù)內(nèi)的規(guī)則結(jié)合起來，建立人的推理模型，以推斷出新的信息 6.2 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)222.基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)6.2 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)解釋器用戶界面開發(fā)界面外部程序工作存儲(chǔ)器推理機(jī)知識(shí)庫(kù)用戶知識(shí)工程師圖6.5 基于規(guī)則專家系統(tǒng)

10、的結(jié)構(gòu)236.3 基于框架的專家系統(tǒng)1. 面向目標(biāo)編程與基于框架設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)建立在框架的基礎(chǔ)之上基于框架的專家系統(tǒng)采用面向目標(biāo)編程技術(shù)基于框架的設(shè)計(jì)和面向目標(biāo)的編程共享許多特征在設(shè)計(jì)基于框架系統(tǒng)時(shí)，專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們把目標(biāo)叫做框架24特征名稱值側(cè)面規(guī)則目標(biāo)議程表人類男人女人約翰李勇麗達(dá)王紅類（class）槽(Slots)子類（subclass)例子(instances)規(guī)則(rules)目標(biāo)議程表 (goal agenda)2. 基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)6.3 基于框架的專家系統(tǒng)圖6.6 人類的框架分層結(jié)構(gòu)253. 基于框架專家系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)步驟與基于規(guī)則

11、的專家系統(tǒng)相似。主要差別在于如何看待和使用知識(shí)在設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)時(shí)，把整個(gè)問題和每件事想像為編織起來的事物在辨識(shí)事物之后，尋找把這些事物組織起來的方法對(duì)于任何類型的專家系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是個(gè)高度交互的過程6.3 基于框架的專家系統(tǒng)26開發(fā)基于框架的專家系統(tǒng)的主要任務(wù)定義問題分析領(lǐng)域定義類與特征定義例子及其框架結(jié)構(gòu)確定模式及其匹配規(guī)則規(guī)定事物的通信方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，深化和擴(kuò)展知識(shí)276.4 基于模型的專家系統(tǒng)1. 基于模型專家系統(tǒng)的提出關(guān)于人工智能的一個(gè)觀點(diǎn)(定性模型化)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)具有更強(qiáng)的功能，從而有可能顯著改進(jìn)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在諸

12、多模型中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用最為廣泛282. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從知識(shí)表示、推理機(jī)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)別三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與專家系統(tǒng)集成模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)6.4 基于模型的專家系統(tǒng)29神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)6.4 基于模型的專家系統(tǒng)知識(shí)獲取學(xué)習(xí)示例網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法解釋器專家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用戶知識(shí)庫(kù)推理機(jī)圖6.7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)30神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個(gè)問題討論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)表示是一種隱式表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)例學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理是個(gè)正向非線性數(shù)值計(jì)算過程，同時(shí)也是一

13、種并行推理機(jī)制同一知識(shí)領(lǐng)域的幾個(gè)獨(dú)立的專家系統(tǒng)可組合成更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)6.4 基于模型的專家系統(tǒng)316.5 新型專家系統(tǒng)6.5.1 新型專家系統(tǒng)的特征并行與分布處理多專家系統(tǒng)協(xié)同工作高級(jí)語(yǔ)言和知識(shí)語(yǔ)言描述具有自學(xué)習(xí)功能引入新的推理機(jī)制具有自糾錯(cuò)和自完善能力 先進(jìn)的智能人機(jī)接口326.5.2 分布式專家系統(tǒng)主要目的：把一個(gè)專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解以后分布到多個(gè)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?？梢怨ぷ髟诰o耦合的多處理器系統(tǒng)環(huán)境中，也可工作在松耦合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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。6.5 新型專家系統(tǒng)33設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分布式專家系統(tǒng)，需要解決的

14、問題：功能分布 把分解得到的系統(tǒng)各部分功能或任務(wù)合理均衡地分配到各處理節(jié)點(diǎn)上去知識(shí)分布 根據(jù)功能分布的情況把有關(guān)知識(shí)經(jīng)合理劃分以后分配到各處理節(jié)點(diǎn)上。接口設(shè)計(jì) 各部分間接口的設(shè)計(jì)目的是要達(dá)到各部分之間互相通訊和同步容易進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一方面依賴于應(yīng)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(樹型層次集中式，星型黑板式，獨(dú)立的總線或環(huán)行式)驅(qū)動(dòng)方式 可供選擇的幾種驅(qū)動(dòng)方式(1) 控制驅(qū)動(dòng)(2) 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)(3) 需求驅(qū)動(dòng)(4) 事件驅(qū)動(dòng)6.5 新型專家系統(tǒng)346.5.3 協(xié)同式專家系統(tǒng)一般專家系統(tǒng)解題的領(lǐng)域面很窄協(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(gè)重要途徑。協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱“群

15、專家系統(tǒng)”6.5 新型專家系統(tǒng)35設(shè)計(jì)與建立一個(gè)協(xié)同式多專家系統(tǒng)，需要解決的問題：任務(wù)的分解 公共知識(shí)的導(dǎo)出 討論方式裁決問題 驅(qū)動(dòng)方式6.5 新型專家系統(tǒng)366.6 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為以下兩部分介紹 以設(shè)計(jì)一個(gè)基于規(guī)則的維修咨詢系統(tǒng)為例，說明專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。這一過程包括描述專家知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)和解釋決策等。專家知識(shí)的描述知識(shí)的使用和決策解釋376.6.1專家知識(shí)的描述結(jié)論的表示 結(jié)論規(guī)定了所涉及專門知識(shí)的范圍觀測(cè)的表示 觀測(cè)是得到結(jié)論所需要的觀察或量測(cè)結(jié)果推理規(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可根據(jù)觀測(cè)和假設(shè)之間的邏輯關(guān)系分成3類：(1) FF規(guī)則 (2) FH規(guī)則 (3) HH規(guī)則6.6 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)386.6.2 知識(shí)的使用和決策解釋結(jié)論的分級(jí)與選擇詢問問題的策略固定的順序根據(jù)具體情況作出某種選擇決策的解釋對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的解釋對(duì)系統(tǒng)使用者的解釋6.6 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)396.7 專家系統(tǒng)開發(fā)工具專家系統(tǒng)工具是一種更高級(jí)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言現(xiàn)有的專家系統(tǒng)工具，主要分為骨架型工具、語(yǔ)言型工具、構(gòu)造輔助工具和支撐環(huán)境等4類401. 骨架型開發(fā)工具定義 只保留原系統(tǒng)獨(dú)立于問題領(lǐng)域知識(shí)的推理機(jī)部分形成的工具稱為骨架優(yōu)點(diǎn) 使用方便，節(jié)省在開發(fā)系統(tǒng)的過程結(jié)構(gòu)上的時(shí)間，提高開發(fā)效率，交互性好，提供很強(qiáng)的對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋的功能問