Artificial-Intelligence演示專家系統(tǒng)

第四章專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用研究的主要領(lǐng)域。上世紀(jì)70年代中期，專家系統(tǒng)的開發(fā)獲得成功。專家系統(tǒng)實質(zhì)上為一計算機(jī)程序，它能夠以人類專家的水平完成特別困難的某一專業(yè)領(lǐng)域的任務(wù)。在設(shè)計專家系統(tǒng)時，知識工程師的任務(wù)就是使計算機(jī)盡可能模擬人類專家解決某些實際問題的決策和工作過程，即模仿人類專家如何運(yùn)用他們的知識和經(jīng)驗來解決所面臨問題的方法、技巧和步驟。第一節(jié)產(chǎn)生式系統(tǒng)

一、產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本概念

1.引言產(chǎn)生式系統(tǒng)（Productionsystem）首先由波斯特（Post）于1943年提出的產(chǎn)生式規(guī)則（Productionrule）而得名，他們用這種規(guī)則對符號串進(jìn)行置換運(yùn)算，后來，美國的紐厄爾和西蒙利用這個原理建立了一個人類的認(rèn)知模型（1965年），同年，斯坦福大學(xué)利用產(chǎn)生式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計出第一個專家系統(tǒng)DENDRAL。

產(chǎn)生式系統(tǒng)用來描述若干個不同的以一個基本概念為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。這個基本概念就是產(chǎn)生式規(guī)則或產(chǎn)生式條件和操作對象的概念。在產(chǎn)生式系統(tǒng)中，論域的知識分為兩部份：①事實：用于表示靜態(tài)知識，如事物、事件和它們之間的關(guān)系；②規(guī)則：用于表示推理過程和行為。近年來，產(chǎn)生式系統(tǒng)有如下一些成果：模糊產(chǎn)生式系統(tǒng)動態(tài)模糊產(chǎn)生式系統(tǒng)（請參閱李凡長等人的相關(guān)文獻(xiàn)）。

2、產(chǎn)生式系統(tǒng)的構(gòu)成控制策略規(guī)則庫總數(shù)據(jù)庫（1）總數(shù)據(jù)庫：用來存放與求解問題有關(guān)的數(shù)據(jù)。例如：當(dāng)一個病人需要診斷時，它可能包括該病人病情的數(shù)據(jù)。D={f1，…，fn}（2）產(chǎn)生式規(guī)則庫：主要存放問題求解中的規(guī)則，

如果A則B即：IFAthenB

例：如果某動物是哺乳動物，并且吃肉，那么這種動物稱為肉食動物。

IFtheanimalisamammalANDiteatsMeatTHENitisacarnivores.（3）控制策略：其作用是說明下一步應(yīng)該選用什么規(guī)則，也就是說如何應(yīng)用規(guī)則。通常從選擇規(guī)則到執(zhí)行操作分三步，①匹配；②沖突解決；③操作。

*匹配：把當(dāng)前數(shù)據(jù)庫和規(guī)則的條件部分相匹配。如果兩者完全匹配，則把這條規(guī)則稱為觸發(fā)規(guī)則。當(dāng)按規(guī)則的操作部分去執(zhí)行時，稱這條規(guī)則為啟用規(guī)則。

注意：被觸發(fā)的規(guī)則不一定總是啟用規(guī)則，因為有可能同時有幾條規(guī)則部分被滿足，這就要沖突解決。DRC{f1,…fn}C{r1,…,rm}*沖突解決：

當(dāng)有一個以上的規(guī)則條件部分和當(dāng)前數(shù)據(jù)庫相匹配時，就需要解決首先使用哪一條規(guī)則——沖突解決。1）專一性排序如果某一規(guī)則的條件部分比另一條規(guī)則的條件部分所規(guī)定的情況更為專門，則這條規(guī)則有較高的優(yōu)先權(quán)。2）規(guī)則排序如果規(guī)則編排順序就表示了啟用的優(yōu)先級，則稱之為排序。3）數(shù)據(jù)排序把規(guī)則條件部分的所有條件按優(yōu)先級次序編排起來，運(yùn)行時首先使用在條件部分包含較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的規(guī)則。4）規(guī)模排序按規(guī)則的條件部分的規(guī)模排列優(yōu)先級，優(yōu)先使用被滿足的條件較多的規(guī)則。5）就近排序把最近使用的規(guī)則放在最優(yōu)先的位置。6）上下文限制把產(chǎn)生式規(guī)則按他們所描述的上下文分組，也就是說按上下文對規(guī)則分組，在某種上下文條件下，只能從與其相對應(yīng)的那組規(guī)則中選擇可應(yīng)用的規(guī)則。7）使用次數(shù)排序把使用頻率較高的排在前面。*操作：執(zhí)行規(guī)則的操作部分，經(jīng)過修改以后，當(dāng)前數(shù)據(jù)庫將被修改。二、產(chǎn)生式系統(tǒng)的求解問題策略1.正向推理正向推理，是指從初始狀態(tài)開始，在規(guī)則的控制下向目標(biāo)狀態(tài)一步步移動，直至到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)，其基本過程可描述為：初狀P1狀態(tài)P2

目標(biāo)G…r1rn例：已知兩個三角形的兩邊和夾角相等，證明這兩個三角形全等。設(shè):△1

的三邊為S1，S2，S3，S1和S2的夾角為α△2的三邊為P1，P2，P3，P1和P2的夾角為β用產(chǎn)生式表示為:IfS1=P1∧S2=P2∧α=βTHENS3=P3IfS3=P3THEN△1≌△22.逆向推理：逆向推理是指從目標(biāo)狀態(tài)出發(fā)，推到初始狀態(tài)3.雙向推理：目標(biāo)狀態(tài)初始狀態(tài)…初始狀態(tài)目標(biāo)狀態(tài)…實例一個用于動物識別的系統(tǒng)設(shè)該系統(tǒng)可以識別老虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、企鵝、信天翁這六種動物規(guī)則庫：R1:IF該動物有毛發(fā)THEN該動物是哺乳動物R2:IF該動物有奶THEN該動物是哺乳動物R3:IF該動物有羽毛THEN該動物是鳥R4:IF該動物會飛AND會下蛋THEN該動物是鳥R5:IF該動物吃肉THEN該動物是肉食動物R6:IF該動物有犬齒AND有爪AND眼睛盯前方THEN該動物是肉食動物R7:IF該動物是哺乳動物AND有蹄THEN該動物是有蹄類動物R8:IF該動物是哺乳動物AND是嚼反芻動物THEN該動物是有蹄類動物R9:IF該動物是哺乳動物AND是肉食動物AND是黃褐色AND身上有暗斑點(diǎn)THEN該動物是金錢豹R10:IF該動物是哺乳動物AND是肉食動物AND是黃褐色AND身上有黑色條紋THEN該動物是虎R11:IF該動物是有蹄類動物AND有長脖子AND有長腿AND身上有暗斑點(diǎn)THEN該動物是長頸鹿R12:IF該動物是有蹄類動物AND身上有黑色條紋THEN該動物是斑馬R13:IF該動物是鳥AND有長脖子AND有長腿AND不會飛THEN該動物是鴕鳥R14:IF該動物是鳥AND會游泳AND不會飛AND有黑白二色THEN該動物是企鵝R15:IF該動物是鳥AND善飛THEN該動物是信天翁規(guī)則庫三、產(chǎn)生式系統(tǒng)的評價（1）有豐富的表達(dá)知識能力；（2）對結(jié)構(gòu)化的知識表達(dá)方便靈活且易于增加、刪除；（3）能表達(dá)動作，其結(jié)構(gòu)事實上等價于圖靈機(jī)；（4）推理方向可逆，推理機(jī)制多樣性；（5）該方法類似于人的思維過程，有利于人工智能目標(biāo)的實現(xiàn)。四、產(chǎn)生式系統(tǒng)的應(yīng)用例:傳教士和野人問題（Missionariesandcannibals）有N個傳教士和N個野人來到河邊準(zhǔn)備渡河（傳教士和野人都會劃船），河岸有一條船，每次至多可供K個乘渡，問傳教士為了安全起見，應(yīng)如何規(guī)劃擺渡方案，使得任何時刻，河岸兩邊以及船上的野人數(shù)目總數(shù)不超過傳教土的數(shù)目，即求解傳教士和野人從左岸全部擺渡到右岸的過程中，任何時刻滿足M（傳教士數(shù)）≥C（野人數(shù)）和M+C≤K的擺渡方案。

設(shè)N=3K=2，則給定問題的狀態(tài)圖如下：

圖中的L和R表示左岸和右岸，B=0或1分別表示無船和有船，約束條件是：兩岸上M≥C，船上M+C≤2。LRM30C30B10LRM03C03B01初始狀態(tài)目標(biāo)狀態(tài)（1）綜合數(shù)據(jù)庫(4_6網(wǎng)工)

用三元組表示，即（ML，CL，BL）其中0≤ML，CL≤3，BL∈{0,1}，此時問題描述簡化為:

（3，3，1）→（0，0，0）

N=3的M—C問題，狀態(tài)空間的總狀態(tài)數(shù)為：

4×4×2=32

根據(jù)約束條件的要求，可以看出只有20個合法狀態(tài)，進(jìn)一步分析后，又發(fā)現(xiàn)有4個狀態(tài)實際上是不可能達(dá)到的，因此實際問題空間僅由16個狀態(tài)構(gòu)成。（MLCLBL）（001）達(dá)不到（011）（021）（031）（101）不合法（111）（121）不合法（131）不合法（201）不合法（211）不合法（221）（231）不合法（301）達(dá)不到（MLCLBL）（311）（321）（331）（000）（010）（020）（030）達(dá)不到（100）不合法（110）（120）不合法（130）不合法（200）不合法（210）不合法（MLCLBL）（220）（230）不合法（300）（310）（320）（330）達(dá)不到（2）規(guī)則集合：Pmc操作規(guī)定從左岸向右岸；

qmc操作規(guī)定從右岸向左岸。船上人有5種組合，因而組成10條規(guī)則集合：if(ML，CL，BL=1)then(ML-1，CL，BL-1)：（P10）if(ML，CL，BL=1)then(ML，CL-1，BL-1)：（P01）if(ML，CL，BL=1)then(ML-1，CL-1，BL-1)：（P11）if(ML，CL，BL=1)then(ML-2，CL，BL-1)：（P20）if(ML，CL，BL=1)then(ML，CL-2，BL-1)：（P02）if(ML，CL，BL=0)then(ML+1，CL，BL+1)：（q10）if(ML，CL，BL=0)then(ML，CL+1，BL+1)：（q01）if(ML，CL，BL=0)then(ML+1，CL+1，BL+1)：（q11）if(ML，CL，BL=0)then(ML+2，CL，BL+1)：（q20）if(ML，CL，BL=0)then(ML，CL+2，BL+1)：（q02）（331）（220）（310）（321）（300）（311）（110）（221）（020）（031）（010）（021）（021）（111）（000）P02P11q10q01p02q01P20q11P20q01P02q01q01q10P02P11P02初始P01(320)可以這樣過河：1先讓一個傳教士和一個野人過，再由一個傳教士把船開回來；2讓傳教士再把一個野人度過河去，再由傳教士把船開回來；這時河對岸有兩個野人．沒過河的有三個傳教士和一個野人．3讓兩個傳教士過河，并且都留在河對岸．讓一個野人把船開回來．（這時如果野人不上岸，野人人數(shù)就不會超過傳教士人數(shù)；如果這也算超過的話，那就沒辦法了．）4讓野人把最后的一個傳教士度過對岸；再由野人把船開回來．這時河對岸有一個野人和三個傳教士；5最后兩個野人一起過河．設(shè)有3個傳教士（Missionaries）和3個野人(Cannibals)來到河邊，打算乘一只船從右岸渡到左岸去。該船的最大負(fù)荷能力為兩個人（k=2）。在任何情況下：如果野人人數(shù)超過傳教士人數(shù)，那么野人就會把傳教士吃掉。他們怎樣才能用這條船安全地把所有人都渡過河去呢？（提示：用狀態(tài)空間來描述，其綜合數(shù)據(jù)庫：用三元數(shù)組表示。即（MR，CR，LR），其中0≤MR，CR≤3,k=2;LR∈{0,1}(0-船在左岸,1-船在右岸)此時問題描述簡化為：（3，3，1）→（0，0，0））請分析給出（1）完整的規(guī)則集合（2）符合規(guī)則的狀態(tài)數(shù)量是多少？分別就“達(dá)不到”和“不合法”狀態(tài)給予說明？（3）渡法說明（做出推理圖）（18分）（2-2）若0≤MR，CR≤4;k=2；別的條件同（2-1）；解如何？做圖說明。我來試著回答一下前三問:(1)完整的規(guī)則集合if(MR,CR,LR=1)then(MR-1,CR,LR-1);if(MR,CR,LR=1)then(MR,CR-1,LR-1);if(MR,CR,LR=1)then(MR-1,CR-1,LR-1);if(MR,CR,LR=1)then(MR-2,CR,LR-1);if(MR,CR,LR=1)then(MR,CR-2,LR-1);if(MR,CR,LR=0)then(MR+1,CR,LR+1);if(MR,CR,LR=0)then(MR,CR+1,LR+1);if(MR,CR,LR=0)then(MR+1,CR+1,LR+1);if(MR,CR,LR=0)then(MR+2,CR,LR+1);if(MR,CR,LR=0)then(MR,CR+2,LR+1);(2)狀態(tài)空間的總狀態(tài)數(shù)為4×4×2=32，只有20個合法狀態(tài)，其中有4個合法狀態(tài)達(dá)不到，最終解空間由16個狀態(tài)組成，下面給出說明(MR,CR,LR)(MR,CR,LR)(001)達(dá)不到(000)(011)(010)(021)(020)(031)(030)達(dá)不到(101)不合法(100)不合法(111)(110)(121)不合法(120)不合法(131)不合法(130)不合法(201)不合法(200)不合法(211)不合法(210)不合法(221)(220)(231)不合法(230)不合法(301)達(dá)不到(300)(311)(310)(321)(320)(331)(330)達(dá)不到(3)2個野人去，1個野人回2個野人去，1個野人回2個傳教士去，1個野人與1個傳教士回2個傳教士去，1個野人回2個野人去，1個野人回2個野人去，完成不合法的狀態(tài)和重復(fù)狀態(tài)，我都沒畫出，你可以自己加一下，也可以結(jié)合圖說明一下第二節(jié)專家系統(tǒng)簡介(4_6計科123)一、專家系統(tǒng)的定義和類型(4_13網(wǎng)工)

專家系統(tǒng)是一個智能計算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域的問題。簡而言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計算機(jī)程序系統(tǒng)。按照專家系統(tǒng)所求問題的性質(zhì)，可分為以下幾類：（1）解釋專家系統(tǒng)通過對已知信息和數(shù)據(jù)的分析和解釋，確定其含義。如語音理解、衛(wèi)星云圖分析、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析等。（2）預(yù)測專家系統(tǒng)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。如氣象預(yù)報、軍事預(yù)測等。（3）診斷專家系統(tǒng)

根據(jù)觀察到的數(shù)據(jù)來推斷某個對象機(jī)能失常的原因，如醫(yī)療診斷，集成電路故障診斷等。（4）設(shè)計專家系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)設(shè)計要求，求出滿足設(shè)計問題約束的目標(biāo)配置。如集成電路設(shè)計、土木工程設(shè)計等。（5）規(guī)劃專家系統(tǒng)尋找某個能達(dá)到給定目標(biāo)的動作序列或步驟。如機(jī)器人規(guī)劃、交通運(yùn)輸調(diào)度等。（6）監(jiān)視專家系統(tǒng)

對系統(tǒng)、對象或過程的行為進(jìn)行不斷觀察，并把觀測的行為與其應(yīng)當(dāng)具有的行為進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出警報。如生產(chǎn)監(jiān)視、防空監(jiān)視等。（7）控制專家系統(tǒng)自適應(yīng)地管理一個受控對象或客體的全面行為，使之滿足預(yù)期要求。如空中交通管制、生產(chǎn)調(diào)度等。二、專家系統(tǒng)的特點(diǎn)1.專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）專家系統(tǒng)能夠高效率、準(zhǔn)確、及時和不知疲倦地工作。（2）專家系統(tǒng)解決實際問題時不受周圍環(huán)境的影響，也不可能遺漏忘記。（3）專家系統(tǒng)使人類專家的經(jīng)驗不受時空的限制，以便推廣和交流。（4）專家系統(tǒng)的研制和應(yīng)用具有巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。（5）研制專家系統(tǒng)能促進(jìn)各個領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。2.專家系統(tǒng)的缺陷（1）知識獲取的“瓶頸”問題

不僅要求知識工程師應(yīng)具備一定的領(lǐng)域知識，而且還得具備較高的計算機(jī)水平知識。（2）知識的“窄臺階”問題

一個專家系統(tǒng)一般只能應(yīng)用在某個相當(dāng)窄的知識領(lǐng)域內(nèi)，去求解預(yù)定的專門問題、一旦超出預(yù)定范圍，專家系統(tǒng)就無法求解。（3）不具備并行分布功能

集中式專家系統(tǒng)只能在單個處理機(jī)上運(yùn)行，不具備把一個專家系統(tǒng)的功能分解后，分布到多個處理機(jī)上去并行工作的能力。（4）不具備多專家協(xié)同能力

單專家式專家系統(tǒng)只能模擬單一領(lǐng)域的單個專家的功能，不能實現(xiàn)相近領(lǐng)域或同一領(lǐng)域不同方面的多個分專家系統(tǒng)的協(xié)作問題求解。（5）系統(tǒng)適應(yīng)能力較差

一般不具備自我學(xué)習(xí)能力和在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的自我完善、發(fā)展和創(chuàng)新能力。（6）處理不確定問題的能力較差

專家系統(tǒng)盡管可采用可信度、主觀Bayes方法等處理不精確問題，但在歸納推理、模糊推理、非完備推理等方面的能力較差。（7）與主流信息技術(shù)脫節(jié)

專家系統(tǒng)基本上是一種信息孤島，與主流信息技術(shù)，如Web技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等脫節(jié)。3.專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)知識庫

是專家系統(tǒng)的知識存儲器，用來存放求解問題的領(lǐng)域知識。事實性知識。領(lǐng)域中的事實啟發(fā)性知識。是領(lǐng)域?qū)＜以陂L期工作實踐中積累起來的經(jīng)驗總結(jié)。數(shù)