【學(xué)習(xí)課件】第7章-專家系統(tǒng)人工智能

1、6.1 概述6.2 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)6.3 基于框架的專家系統(tǒng)6.4 基于模型的專家系統(tǒng)6.5 基于Web的專家系統(tǒng)6.6 新型專家系統(tǒng)6.7 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.8 專家系統(tǒng)開發(fā)工具6.9 小結(jié)Ch.6 Expert Systems第六章 專家系統(tǒng)Experts are people who are very familiar with solving specific types of problems. Expert system is an intelligent computer program that can perform special and difficult task i

2、n some field at the level of human experts. Expert system has been one of most active and important application fields of AI.Expert systems are mostly domain specific.Expert system has a very wide field of applications.6.1 Introduction 專家系統(tǒng)概述 What is an Expert System?26.1 Introduction費(fèi)根鮑姆把專家系統(tǒng)定義為一個(gè)應(yīng)

3、用知識(shí)和推理過程來求解需要大量的人類專家解決難題經(jīng)驗(yàn)的智能計(jì)算機(jī)程序。專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量的專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家才能處理好的復(fù)雜問題。專家系統(tǒng)是模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。專家系統(tǒng)的基本功能取決于它所含有的知識(shí)，因此也把專家系統(tǒng)稱為基于知識(shí)的系統(tǒng)（knowledge-based system）。36.1.1 Feature of Expert System (ES) 專家系統(tǒng)的特點(diǎn)Heuristic 啟發(fā)性專家系統(tǒng)要解決的問題，其結(jié)構(gòu)往

4、往是不合理的，其問題求解（problem-solving）知識(shí)不僅包括理論知識(shí)和常識(shí)，而且包括專家本人的啟發(fā)知識(shí)。 Use heuristic knowledge of expert to make inference, judgment, decision and conclusion.4Transparency 透明性Expert system can interpret its own inference process and answer users queries, so that user can understand the inference process，enhance

5、the believe to ES。問題求解過程中知識(shí)應(yīng)用的合理性可由檢驗(yàn)專家系統(tǒng)的解釋推理路徑來驗(yàn)證。5Flexibility 靈活性Ability to extend and enrich the KB, and self-learning ability專家系統(tǒng)的靈活性是指它的擴(kuò)展和豐富知識(shí)庫的能力，以及改善非編程狀態(tài)下的系統(tǒng)性能，即自學(xué)習(xí)能力。Reasoning Machine can select various relative knowledge from KB and construct problem solving sequences according to the pa

6、rticulars of the specific solved problems.6Advantages of ES 優(yōu)點(diǎn)Provides consistent answers for repetitive decisions, processes and tasks Holds and maintains significant levels of information Encourages organizations to clarify the logic of their decision-making Never forgets to ask a question, as a h

7、uman might 7Advantages of ES 優(yōu)點(diǎn)能高效、準(zhǔn)確、周到、迅速和不知疲倦地工作。專家系統(tǒng)解決實(shí)際問題時(shí)不受周圍環(huán)境的影響，也不會(huì)遺漏和忘記。使專家的專長不受時(shí)間和空間的限制，以便推廣珍貴和稀缺的專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。專家系統(tǒng)能促進(jìn)各領(lǐng)域的發(fā)展，使各領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)得到總結(jié)和精煉，能夠廣泛有力地傳播專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和能力。8專家系統(tǒng)能匯集多領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)以及他們協(xié)作解決重大問題的能力。軍事專家系統(tǒng)的水平是一個(gè)國家國防現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。專家系統(tǒng)的研制和應(yīng)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。研究專家系統(tǒng)能夠促進(jìn)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。專家系統(tǒng)對(duì)人工智能各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展起了

8、很大的促進(jìn)作用，并將對(duì)科技、經(jīng)濟(jì)、國防、教育、社會(huì)和人民生活產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。96.1.2 Structures & Building Step of ES 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)Fig 6.1 Simplified block diagram of expert systemExpertiseKnowledge BaseInputor QueryReasoning MachineAnswer10理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖6.2 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)庫解釋器執(zhí)行器調(diào)度器協(xié)調(diào)器11 Ideal Arc

9、hitecture of ESKnowledge BaseGlobal DatabaseReasoning MachineExplanatorInterface12 Building Expert System 專家系統(tǒng)的建造步驟1. Design of Initial Knowledge Base Problem identification Knowledge conceptualization Concept formulization Rule formulation Rule validation13 Building Expert System 專家系統(tǒng)的建造步驟2. Develo

10、pment & test for prototype system3. Improvement & induction for the knowledge14Date AcquisitionIndentifi-cationConceptu-alizationFormali-zationRuleFormalizationValidationKnowledgeConceptsStructureRulesConclusionRepresentation RefinementsReformulationsFig.6.3 Steps for designing knowledge baseStages

11、for Designing KB15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 專家系統(tǒng)的建造步驟16 建立系統(tǒng)的一般步驟如下1.設(shè)計(jì)初始知識(shí)庫問題知識(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2.原型機(jī)（prototype）的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)3.知識(shí)庫的改進(jìn)與歸納176.2 Rule-based Expert System 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)6.2.1 基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型和結(jié)構(gòu)知識(shí)庫（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18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：

12、知識(shí)庫 以一套規(guī)則建立人的長期存儲(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 。192. 基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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)庫用戶知識(shí)工程師圖6.5 基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)206.2.2 Advantages of rule-based expert system 優(yōu)點(diǎn)自然表達(dá)控制與知識(shí)分離易于擴(kuò)展智能成比例增長相關(guān)知識(shí)的使用從嚴(yán)格語法獲取解釋一致性檢查啟發(fā)性知識(shí)的使用不確定知識(shí)的使用可以合用變量216.2

13、.2 Advantages of rule-based expert system 缺點(diǎn)必需精確匹配有不清楚的規(guī)則關(guān)系可能慢對(duì)一些問題不適用226.3 Frame-based Expert System 基于框架的專家系統(tǒng) 6.3.1 基于框架專家系統(tǒng)的定義、結(jié)構(gòu) 和設(shè)計(jì)方法定義6.1 基于框架的專家系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，該程序使用一組包含在知識(shí)庫內(nèi)的框架對(duì)工作存儲(chǔ)器內(nèi)的具體問題信息進(jìn)行處理，通過推理機(jī)推斷出新的信息。23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 (go

14、al agenda)1. 基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖6.6 人類的框架分層結(jié)構(gòu)242. 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25開發(fā)基于框架專家系統(tǒng)的主要任務(wù)定義問題，包括對(duì)問題和結(jié)論考察與綜述分析領(lǐng)域，包括定義事物、事物特征、事件和框架結(jié)構(gòu)定義類及其特征定義例及其框架結(jié)構(gòu)確定模式匹配規(guī)則規(guī)定事物通信方法設(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)寬知識(shí)2

15、6 6.3.2 基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽 和方法1.基于框架專家系統(tǒng)的繼承定義6.2(繼承) 后輩框架呈現(xiàn)其父輩框架的特征的過程。異常處理多重繼承27 6.3.2 基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽 和方法2.基于框架專家系統(tǒng)的槽定義6.3（槽） 框架屬性有關(guān)的擴(kuò)展知識(shí)。按照下面的方式，槽擴(kuò)展有關(guān)給定系統(tǒng)屬性的信息：類型：定義和屬性相關(guān)的類型；默認(rèn)：定義默認(rèn)值；文檔：提供屬性文檔；約束：定義允許值；28 按照下面的方式，槽擴(kuò)展有關(guān)給定系統(tǒng)屬性的信息：（續(xù)）最小界限：建立屬性的下限；最大界限：建立屬性的上限；如果需要：指定如果需要屬性值時(shí)采取的行為；如果改變：指定如果屬性值改變時(shí)采取的行為。3.基于框

16、架專家系統(tǒng)的方法定義6.3（方法）附加到對(duì)象中需要時(shí)執(zhí)行的過程。296.4 Model-based Expert System 基于模型的專家系統(tǒng)6.4.1 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)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)在諸多模型中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用最為廣泛306.4 Model-based Expert System 基于模型的專家系統(tǒng)The contribution & limitation of Rule-based ESUse various qualitative models to AIAn expe

17、rt system integrated with various models31Features of the model-based ESParallel and distributed processingParallel algorithms (software)Multiprocessors (hardware) distributedSynchronous communication among componentsSynergetic work with multiple ESHigh-level descriptive language32Describe the funct

18、ion, performance and inference of ESDescribe domain knowledge for knowledge representationFeatures of the model-based ESSelf-learning function New inference techniques Advanced intellectual man-machine interface33 6.4.2 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

19、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)34神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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)35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)366.5 Web-based ES 基于Web的專家系統(tǒng)6.5.1 基于Web專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于Web專家系統(tǒng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如圖6.10所示，主要分為3個(gè)層次：瀏覽器、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)庫層

20、，這種結(jié)構(gòu)符合3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用戶Web瀏覽器應(yīng)用服務(wù)器Web推理機(jī)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)庫知識(shí)庫圖6.10 基于Web專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)371. 基于Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)知識(shí)庫維護(hù)系統(tǒng)診斷咨詢系統(tǒng)Internet診斷專家系統(tǒng)Web接口推理機(jī)解釋器知識(shí)庫（規(guī)則）知識(shí)庫（事實(shí)）（a） 遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Web瀏覽器Web服務(wù)器ASP文件(使用ADO)ODBC驅(qū)動(dòng)程序知識(shí)庫系統(tǒng)（b） Web用戶存取服務(wù)器專家系統(tǒng)的流程圖6.11基于 Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)382. 基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖6.12基于 Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 客戶端客戶端Web服務(wù)器

21、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器全 局推理機(jī)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫全局知識(shí)庫Internet/Intranet局部數(shù)據(jù)庫局部推理機(jī)局部知識(shí)庫用戶界面接口設(shè)計(jì)用戶設(shè)計(jì)任務(wù)客戶端知識(shí)庫維護(hù)系統(tǒng)界面接口客戶端專家知識(shí)工程師396.5.2 基于Web專家系統(tǒng)的實(shí)例1. 基于 Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)診斷咨詢系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) Web用戶存取遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下。a用戶端借助瀏覽器頁面填寫飛機(jī)故障現(xiàn)象表單，指定URL，通過HTTP通信協(xié)議從Web服務(wù)器下載指定的ASP文件。b. Web服務(wù)器判斷ASP文件中是否含有腳本程序（JavaScript或VBScript），若有，則執(zhí)行相應(yīng)的程序（推理機(jī)）。對(duì)于那些不是腳本的部分則直

22、接傳給瀏覽器。c. 若腳本程序使用了ADO對(duì)象，則Web服務(wù)器會(huì)根據(jù)ADO對(duì)象所設(shè)置的參數(shù)來啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的ODBC驅(qū)動(dòng)程序，然后利用ADO對(duì)象訪問專家知識(shí)庫。d. 根據(jù)推理匹配結(jié)果，由腳本程序利用ASP所做的輸出對(duì)象生成Web頁面，從Web服務(wù)器傳遞給客戶端瀏覽器，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)故障的遠(yuǎn)程診斷。知識(shí)庫的管理與維護(hù) 402. 基于 Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng) 知識(shí)表示和知識(shí)庫 推理機(jī) 基于實(shí)例推理 基于規(guī)則的推理 實(shí)例檢索 回溯策略 Web數(shù)據(jù)庫訪問 416.6 New Types of ES 新型專家系統(tǒng)6.6.1 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)語言和知識(shí)語言描述具有自學(xué)習(xí)功能

23、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426.6.2 分布式( distributed)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。43設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分布式專家系統(tǒng)，需要解決的問題：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)446.6.3 協(xié)同式(synergetic )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“群專家系統(tǒng)”45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 驅(qū)動(dòng)方式466.7