高級人工智能5課件

ArtificialIntelligence

2/7/20231第五章專家系統(tǒng)5.1專家系統(tǒng)概述5.5新型專家系統(tǒng)5.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)5.6專家系統(tǒng)設計5.3基于框架的專家系統(tǒng)5.7專家系統(tǒng)開發(fā)工具5.4基于模型的專家系統(tǒng)5.8專家系統(tǒng)實例2/7/20232安徽大學計算機科學與技術學院5.1專家系統(tǒng)概述專家系統(tǒng)(expertsystem)是人工智能應用研究最活躍和最廣泛的課題之一定義：是一個含有大量的某個領域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗的智能計算機程序系統(tǒng)，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領域問題

2/7/20233安徽大學計算機科學與技術學院5.1.2專家系統(tǒng)的類型

解釋專家系統(tǒng)預測專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)設計專家系統(tǒng)規(guī)劃專家系統(tǒng)監(jiān)視專家系統(tǒng)控制專家系統(tǒng)調(diào)試專家系統(tǒng)教學專家系統(tǒng)修理專家系統(tǒng)2/7/20235安徽大學計算機科學與技術學院1.解釋專家系統(tǒng)

(expertsystemforinterpretation)任務

通過對過去和現(xiàn)在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況特點數(shù)據(jù)量很大，常不準確、有錯誤、不完全能從不完全的信息中得出解釋，并能對數(shù)據(jù)做出某些假設推理過程可能很復雜和很長例子

語音理解、圖象分析、系統(tǒng)監(jiān)視、化學結(jié)構(gòu)分析和信號解釋等2/7/20236安徽大學計算機科學與技術學院2.預測專家系統(tǒng)

(expertsystemforprediction)任務

通過對已知信息和數(shù)據(jù)的分析與解釋，確定它們的涵義。特點系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)隨時間變化，且可能是不準確和不完全系統(tǒng)需要有適應時間變化的動態(tài)模型例子

有氣象預報、軍事預測等2/7/20237安徽大學計算機科學與技術學院4.設計專家系統(tǒng)

(expertsystemfordesign)任務

尋找出某個能夠達到給定目標的動作序列或步驟特點從多種約束中得到符合要求的設計系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間能試驗性地構(gòu)造出可能設計，易于修改能夠使用已有設計來解釋當前新的設計例子

VAX計算機結(jié)構(gòu)設計、電路設計等2/7/20239安徽大學計算機科學與技術學院5.規(guī)劃專家系統(tǒng)

(expertsystemforplanning)任務

尋找出某個能夠達到給定目標的動作序列或步驟特點所要規(guī)劃的目標可能是動態(tài)的或靜態(tài)的，需要對未來動作做出預測所涉及的問題可能很復雜例子軍事指揮調(diào)度系統(tǒng)、ROPES機器人規(guī)劃專家系統(tǒng)、汽車和火車運行調(diào)度專家系統(tǒng)等。2/7/202310安徽大學計算機科學與技術學院6.監(jiān)視專家系統(tǒng)

(expertsystemformonitoring)任務對系統(tǒng)、對象或過程的行為進行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應當具有的行為進行比較，以發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報特點系統(tǒng)應具有快速反應能力系統(tǒng)發(fā)出的警報要有很高的準確性系統(tǒng)能夠動態(tài)地處理其輸入信息例子

防空監(jiān)視、蟲害測報專家系統(tǒng)2/7/202311安徽大學計算機科學與技術學院8.調(diào)試專家系統(tǒng)

(expertsystemfordebugging)

任務

對失靈的對象給出處理意見和方法特點

同時具有規(guī)劃、設計、預報和診斷等專家系統(tǒng)的功能例子在這方面的實例還比較少見。程序調(diào)試。2/7/202313安徽大學計算機科學與技術學院9.教學專家系統(tǒng)

(expertsystemforinstruction)任務

根據(jù)學生的特點，以適當?shù)姆椒▽W生進行教學和輔導特點同時具有診斷和調(diào)試等功能具有良好的人機界面例子

MACSYMA符號積分與定理證明系統(tǒng)，計算機程序設計語言和物理智能計算機輔助教學系統(tǒng)等2/7/202314安徽大學計算機科學與技術學院10.修理專家系統(tǒng)

(expertsystemforrepair)

任務

對發(fā)生故障的對象(系統(tǒng)或設備)進行處理，使其恢復正常工作功能

有診斷、調(diào)試、計劃和執(zhí)行等功能例子

電視維護修理系統(tǒng)2/7/202315安徽大學計算機科學與技術學院理想專家系統(tǒng)圖5.2則為理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖接口用戶事實規(guī)則計劃議程中間解黑板知識庫解釋器執(zhí)行器調(diào)度器協(xié)調(diào)器2/7/202317安徽大學計算機科學與技術學院一般應用程序與專家系統(tǒng)的區(qū)別：一般應用程序

專家系統(tǒng)把問題求解的知識隱含地編入程序。把知識組織為兩級：數(shù)據(jù)級和程序級。把其應用領域的問題求解知識單獨組成一個實體。即為知識庫。將知識組織成三級；數(shù)據(jù)、知識庫和控制。2/7/202318安徽大學計算機科學與技術學院知識化問題圖5.3建立專家系統(tǒng)的步驟合法化概念化形式化規(guī)則化知識概念結(jié)構(gòu)形式規(guī)則再設計改進重新闡述2.專家系統(tǒng)的建造步驟2/7/202319安徽大學計算機科學與技術學院5.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)知識庫（規(guī)則）工作存儲器（事實）推理機1.基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的工作模型圖5.4基于規(guī)則的工作模型2/7/202321安徽大學計算機科學與技術學院基于規(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：知識庫

以一套規(guī)則建立人的長期存儲器模型工作存儲器

建立人的短期存儲器模型，存放問題事實和由規(guī)則激發(fā)而推斷出的新事實推理機

借助于把存放在工作存儲器內(nèi)的問題事實和存放在知識庫內(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2/7/202322安徽大學計算機科學與技術學院2.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器推理機知識庫用戶知識工程師圖5.5基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2/7/202323安徽大學計算機科學與技術學院特征名稱值側(cè)面規(guī)則目標議程表人類男人女人約翰李勇麗達王紅類（class）槽(Slots)子類（subclass)例子(instances)規(guī)則(rules)目標議程表(goalagenda)2.基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖5.6人類的框架分層結(jié)構(gòu)2/7/202325安徽大學計算機科學與技術學院3.基于框架專家系統(tǒng)的一般設計方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設計步驟與基于規(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在設計基于框架的專家系統(tǒng)時，把整個問題和每件事想像為編織起來的事物在辨識事物之后，尋找把這些事物組織起來的方法對于任何類型的專家系統(tǒng)，其設計是個高度交互的過程2/7/202326安徽大學計算機科學與技術學院神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)知識獲取學習示例網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)學習算法解釋器專家神經(jīng)網(wǎng)絡用戶知識庫推理機圖5.7神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2/7/202329安徽大學計算機科學與技術學院神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的幾個問題討論神經(jīng)網(wǎng)絡的知識表示是一種隱式表示神經(jīng)網(wǎng)絡通過實例學習實現(xiàn)知識自動獲取神經(jīng)網(wǎng)絡的推理是個正向非線性數(shù)值計算過程，同時也是一種并行推理機制同一知識領域的幾個獨立的專家系統(tǒng)可組合成更大的神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)2/7/202330安徽大學計算機科學與技術學院5.5新型專家系統(tǒng)5.5.1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)同工作高級語言和知識語言描述具有自學習功能引入新的推理機制具有自糾錯和自完善能力

先進的智能人機接口2/7/202331安徽大學計算機科學與技術學院5.5.2分布式專家系統(tǒng)主要目的：把一個專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解以后分布到多個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。可以工作在緊耦合的多處理器系統(tǒng)環(huán)境中，也可工作在松耦合的計算機網(wǎng)絡環(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。2/7/202332安徽大學計算機科學與技術學院設計和實現(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)各部分功能或任務合理均衡地分配到各處理節(jié)點上去知識分布

根據(jù)功能分布的情況把有關知識經(jīng)合理劃分以后分配到各處理節(jié)點上。接口設計

各部分間接口的設計目的是要達到各部分之間互相通訊和同步容易進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一方面依賴于應用的環(huán)境與性質(zhì)，另一方面依賴于其所處的硬件環(huán)境驅(qū)動方式

可供選擇的幾種驅(qū)動方式(1)控制驅(qū)動(2)數(shù)據(jù)驅(qū)動(3)需求驅(qū)動(4)事件驅(qū)動2/7/202333安徽大學計算機科學與技術學院5.5.3協(xié)同式專家系統(tǒng)一般專家系統(tǒng)解題的領域面很窄協(xié)同式多專家系統(tǒng)是克服一般專家系統(tǒng)的局限性的一個重要途徑。協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱“群專家系統(tǒng)”2/7/202334安徽大學計算機科學與技術學院設計與建立一個協(xié)同式多專家系統(tǒng)，

需要解決的問題：任務的分解公共知識的導出討論方式：黑板裁決問題：如少數(shù)服從多數(shù)、加權法等驅(qū)動方式2/7/202335安徽大學計算機科學與技術學院5.6專家系統(tǒng)設計分為以下兩部分介紹以設計一個基于規(guī)則的維修咨詢系統(tǒng)為例，說明專家系統(tǒng)的設計過程。這一過程包括描述專家知識、應用知識和解釋決策等。專家知識的描述知識的使用和決策解釋2/7/202336安徽大學計算機科學與技術學院5.6.1專家知識的描述結(jié)論的表示結(jié)論規(guī)定了所涉及專門知識的范圍觀測的表示觀測是得到結(jié)論所需要的觀察或量測結(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)觀測和假設之間的邏輯關系分成3類：1)從觀測到觀測的規(guī)則（FF規(guī)則）FactFF規(guī)則規(guī)定那些可從已確定的觀測直接推導出來的觀測的真值。因為通過把觀測和假設相組合可以描述功能更強的產(chǎn)生式規(guī)則形式。2)從觀測到假設的規(guī)則（FH規(guī)則）Hypothesis在許多用于分類的專家系統(tǒng)中，產(chǎn)生式規(guī)則可對產(chǎn)生式結(jié)論的可信程度進行量度。3)從假設到假設的規(guī)則（HH規(guī)則）HH(從假設到假設)規(guī)則用來規(guī)定假設之間的推理。2/7/202337安徽大學計算機科學與技術學院5.6.2知識的使用和決策解釋結(jié)論的分級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系統(tǒng)設計者的解釋對系統(tǒng)使用者的解釋2/7/202338安徽大學計算機科學與技術學院5.7專家系統(tǒng)開發(fā)工具專家系統(tǒng)工具是一種更高級的計算機程序設計語言現(xiàn)有的專家系統(tǒng)工具，主要分為:骨架型工具：知識庫以外的部分；語言型工具：OPS5、CLIPS構(gòu)造輔助工具：設計輔助工具、知識獲取輔助工具支撐環(huán)境：調(diào)試、輸入輸出、解釋、知識庫編輯2/7/202339安徽大學計算機科學與技術學院1.骨架型開發(fā)工具定義

只保留原系統(tǒng)獨立于問題領域知識的推理機部分形成的工具稱為骨架優(yōu)點使用方便，節(jié)省在開發(fā)系統(tǒng)的過程結(jié)構(gòu)上的時間，提高開發(fā)效率，交互性好，提供很強的對結(jié)果進行解釋的功能問題及缺點不靈活實例EMYCIN2/7/202340安徽大學計算機科學與技術學院2.語言型開發(fā)工具與骨架型的對比

優(yōu)點

結(jié)構(gòu)變化范圍廣泛，表示靈活，所適應的范圍廣泛問題及缺點

功能上的通用性與使用上的方便性的矛盾造成一些問題和缺點實例

OPS5、CLIPS等2/7/202341安徽大學計算機科學與技術學院3.構(gòu)造輔助工具主要分兩類設計輔助工具，知