人工智能之專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)原理與設計專家系統(tǒng)原理與設計1.專家系統(tǒng)的概念2.專家系統(tǒng)的構造3.專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)4.專家系統(tǒng)開發(fā)工具與環(huán)境

1、專家系統(tǒng)的概念1.1什么是專家系統(tǒng)亦稱專家咨詢系統(tǒng)，它是一種具有大量專門知識與閱歷的智能計算機系統(tǒng)，通常，主要指軟件系統(tǒng)。它把專門領域中人類專家的知識和思索處理問題的方法、閱歷和竅門組織整理且存儲在計算機中，不但能模擬領域專家的思想過程，而且能讓計算機宛如人類專家那樣智能地處理實踐問題。狹義地講，專家系統(tǒng)就是人類專家智慧的拷貝，是人類專家的某種化身。廣義地講，專家系統(tǒng)也泛指那些具有“專家級〞程度的知識系統(tǒng)，從總體上到達專家級程度。1.2專家系統(tǒng)的特點：專家系統(tǒng)與人類專家比較具有以下一些特點:1〕專家系統(tǒng)是人類專家智能的模擬、延伸和擴展。2〕專家系統(tǒng)是專家可以信任和利用的高程度智能助手和有效工具。3〕專家系統(tǒng)可具有一個或多個專家的知識和閱歷，具有專門知識的啟發(fā)性，能以接近于人類專家的程度在特定領域任務，注重特定問題的求解。4〕專家系統(tǒng)能高效、準確、迅速地任務。5〕專家系統(tǒng)突破了時間和空間的限制，程序可永久保管并可復制。6〕專家系統(tǒng)能進展有效推理。7〕具有透明性，能以可了解的方式解釋推理過程。8〕具有自學習才干，總結規(guī)律，擴展和完善系統(tǒng)本身。同普通的計算機運用系統(tǒng)〔如數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處置系統(tǒng)等〕相比，專家系統(tǒng)具有以下特點：(1)從處置的問題性質看，專家系統(tǒng)擅長處理那些不確定性的、非構造化的、沒有算法解或雖有算法解但在現(xiàn)有的機器上無法實施的困難問題。(2)從處置問題的方法看，專家系統(tǒng)那么是靠知識和推理來處理問題〔不像傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)運用固定的算法來處理問題〕，所以，專家系統(tǒng)是基于知識的智能問題求解系統(tǒng)。(3)從系統(tǒng)的構造來看，專家系統(tǒng)那么強調知識與推理的分別，因此系統(tǒng)具有很好的靈敏性和可擴展性。(4)專家系統(tǒng)普通還具有解釋功能，即在運轉過程中一方面能回答用戶提出的問題，另一方面還能對最后的輸出〔結論〕或處置問題的過程作出解釋。(5)有些專家系統(tǒng)還具有“自學習〞才干，即不斷對本人的知識進展擴展、完善和提煉。這一點是傳統(tǒng)系統(tǒng)所無法比較的。(6)專家系統(tǒng)不像人那樣容易疲勞、遺忘，易受環(huán)境、心情等的影響，它可一直如一地以專家級的高程度求解問題。1.3知識的編程和傳統(tǒng)的計算機編程的比較工程 知識型編程 傳統(tǒng)編程 內容 知識的定義、表示和運用 數(shù)據(jù)處置步驟的描畫和運用才干 超越程序員了解程度 與程序員了解程度相等 表現(xiàn) 與闡明型為主 與過程型為主 模型 思索模型 處置模型 用途 對大知識庫處置、問題求解對大數(shù)據(jù)庫進展處置 手法 符號處置 數(shù)值處置 運算 推理控制過程 反復計算過程 了解 容易 困難 擴展 容易 困難 解釋 容易做到在運轉中解釋 不容易做到在運轉中解釋 處置 高度的集成處置 順序的批處置 規(guī)那么 啟發(fā)式 算法式 1.4專家系統(tǒng)的類型關于專家系統(tǒng)的分類，目前還無定論。僅從幾個不同的側面對此進展討論。1.按用途分類按用途分類，專家系統(tǒng)可分為：診斷型、解釋型、預測型、決策型、設計型、規(guī)劃型、控制型、調度型等幾種類型。2.按輸出結果分類按輸出結果分類，專家系統(tǒng)可分為分析型和設計型。3.按知識表示分類目前所用的知識表示方式有：產(chǎn)生式規(guī)那么、一階謂詞邏輯、框架、語義網(wǎng)等。4.按知識分類知識可分為確定性知識和不確定性知識，所以，按知識分類，專家系統(tǒng)又可分為準確推理型和不準確推理型〔如，模糊專家系統(tǒng)〕。5.按技術分類按采用的技術分類，專家系統(tǒng)可分為符號推理專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)。6.按規(guī)模分類按規(guī)模分類，可分為大型協(xié)同式專家系統(tǒng)和微專家系統(tǒng)。7.按構造分類按構造分類可分為集中式和分布式，單機型和網(wǎng)絡型(即網(wǎng)上專家系統(tǒng))。神經(jīng)網(wǎng)絡ES自動獲取模塊輸入、組織并存儲專家提供的學習實例、選定神經(jīng)網(wǎng)絡的構造、調用神經(jīng)網(wǎng)絡的學習算法，為知識庫實現(xiàn)知識獲取。當新的學習實例輸入后，知識獲取模塊經(jīng)過對新實例的學習，自動獲得新的網(wǎng)絡權值分布，從而更新了知識庫。如下圖。學習例如網(wǎng)絡構造學習算法解釋器知識獲取知識庫推理機神經(jīng)網(wǎng)絡ES的根本構造用戶神經(jīng)網(wǎng)絡專家

2.1概念構造從概念來講，一個專家系統(tǒng)應具有如圖1所示的普通構造方式。其中知識庫和推理機是兩個最根本的模塊。1.知識庫〔KnowledgeBase)所謂知識庫，就是以某種表示方式存儲于計算機中的知識的集合。知識庫通常是以一個個文件的方式存放于外部介質上，專家系統(tǒng)運轉時將被調入內存。知識庫中的知識普通包括專家知識、領域知識和元知識。2、專家系統(tǒng)的構造圖1專家系統(tǒng)的概念構造2.推理機〔InferenseEngine〕所謂推理機，就是實現(xiàn)〔機器〕推理的程序。這里的推理，是一個廣義的概念，它既包括通常的邏輯推理，也包括基于產(chǎn)生式的操作。例如：A→BAB3.動態(tài)數(shù)據(jù)庫動態(tài)數(shù)據(jù)庫也稱全局數(shù)據(jù)庫、綜合數(shù)據(jù)庫、任務存儲器、黑板等，它是存放初始證據(jù)現(xiàn)實、推理結果和控制信息的場所，或者說它是上述各種數(shù)據(jù)構成的集合。4.人機界面這里的人機界面指的是最終用戶與專家系統(tǒng)的交互界面。5.解釋模塊解釋程序模塊專門擔任向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為和結果。6.知識庫管理系統(tǒng)知識庫管理系統(tǒng)是知識庫的支撐軟件。知識庫管理系統(tǒng)對知識庫的作用，類似于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的作用，其功能包括知識庫的建立、刪除、重組；知識的獲取〔主要指錄入和編輯〕、維護、查詢、更新；以及對知識的檢查，包括一致性、冗余性和完好性檢查等等。圖2專家系統(tǒng)的理想構造2.2實踐構造上面引見的專家系統(tǒng)構造，是專家系統(tǒng)的概念模型，或者說是只強調知識和推理這一主要特征的專家系統(tǒng)構造。但專家系統(tǒng)終究仍是一種計算機運用系統(tǒng)。所以，它與其它運用系一致樣是處理實踐問題的。而實踐問題往往是錯綜復雜的，比如，能夠需求多次推理或多路推理或多層推理才干處理，而知識庫也能夠是多塊或多層的。圖3專家系統(tǒng)的實踐構造例如總控處置模塊1處置模塊n專家模塊1專家模塊m…………圖4地質圖件繪制智能輔助系統(tǒng)構造2.3網(wǎng)絡與分布式構造在網(wǎng)絡環(huán)境下，專家系統(tǒng)也可以設計成網(wǎng)絡構造，如“客戶機/效力器〞(Client/Server)構造〔如圖5(a)所示〕，或閱讀器/效力器(Browser/Server)構造(如圖5(b)所示)。我們稱后一種構造的專家系統(tǒng)為網(wǎng)上專家系統(tǒng)。分布式構造那么是一種適宜于分布式計算環(huán)境的專家系統(tǒng)。例如那些多學科、多專家結協(xié)作業(yè)，協(xié)同解題的大型專家系統(tǒng)，就可以設計成分布式構造。這類專家系統(tǒng)也就稱為分布式專家系統(tǒng)。圖5專家系統(tǒng)的客戶(機)/效力器構造及閱讀器/效力器構造知識庫推理機推理機知識庫人—機界面人—機界面客戶〔機〕Browser效力器WebServerInternet3、專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)3.1ES設計的原那么根據(jù)ES的特點，在設計中應遵照以下原那么：⑴專門義務。ES設計應面向專家知識和閱歷行之有效的場所，面向專業(yè)性的專門義務。⑵原型設計。采用“最小系統(tǒng)觀念〞進展系統(tǒng)原型設計，逐漸修正、擴展和完善。⑶專家協(xié)作。領域專家與知識工程師相互協(xié)作，是知識獲取勝利的關鍵。⑷用戶參與。用戶參與ES的設計和開發(fā)，有助于人-機接口設計及系統(tǒng)的運轉和評價。⑸輔助工具。采用ES開發(fā)工具進展輔助設計，自創(chuàng)已有系統(tǒng)閱歷，提高設計效率。

專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的普經(jīng)過程系統(tǒng)維護與完善選題與明確義務系統(tǒng)需求分析知識獲取與概念化知識的方式化表示系統(tǒng)設計編程與調試測試與評價專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的普經(jīng)過程再選題再測評精化再設計再獲取再構成再分析

專家系統(tǒng)設計構造圖知識源學習模塊用戶接口模塊結論模塊問題了解模塊推理機模塊可信度模塊知識獲取模塊知識庫模塊規(guī)那么庫 知識庫 現(xiàn)實庫 知識解釋模塊建立專家系統(tǒng)的普通步驟由圖中可以看出，專家系統(tǒng)的開發(fā)有如下特點：(1)知識獲取與知識表示設計是一切任務的起點；(2)知識表示以及知識描畫言語確定后，各項設計〔圖中并列的六個設計〕可同時進展。還需闡明的是：(1)對于一個實踐的專家系統(tǒng)，在系統(tǒng)分析階段就應該首先弄清楚：系統(tǒng)中哪里需求專家知識，專家知識的作用是什么？以及系統(tǒng)中各專家模塊的輸入是什么？處置是什么？輸出又是什么？(2)系統(tǒng)投入運轉后，普通來說，其知識庫還需不斷擴展、更新、完善和優(yōu)化。所以專家系統(tǒng)的開發(fā)更適宜采用快速原型法。(3)對系統(tǒng)的評價主要看它處理問題能否到達專家程度。(4)上述的所謂“純專家系統(tǒng)〞就是一個實踐專家系統(tǒng)中的專家模塊部分。那么，對于系統(tǒng)其他部分的分析與設計，原那么上講，與普通計算機運用系統(tǒng)完全一樣，即可按軟件工程規(guī)范和程序進展。3.2知識獲取知識獲取是建造專家系統(tǒng)的關鍵一步，也是較為困難的一步，被稱為建造專家系統(tǒng)的“瓶頸〞。知識獲取大體有三種途徑。1.人工獲取人工獲取，即計算機人員〔或知識工程師〕與領域專家協(xié)作，對有關領域知識和專家知識，進展發(fā)掘、搜集、分析、綜合、整理、歸納，然后以某種表示方式存入知識庫。2.半自動獲取半自動獲取，即利用某種專門的知識獲取系統(tǒng)，采取提示、指點或問答的方式，協(xié)助專家提取、歸納有關知識，并自動記入知識庫。3.自動獲取自動獲取又可分為兩種方式：一種是系統(tǒng)本身具有一種機制，使得系統(tǒng)在運轉過程中能不斷地總結閱歷，并修正和擴展本人的知識庫；另一種是開發(fā)專門的機器學習系統(tǒng)，讓機器自動從實踐問題中獲取知識，并填充知識庫。3.3知識表示與知識描畫言語設計知識表示與知識描畫言語設計是根據(jù)所獲得知識的特點，選擇或設計某種知識表示方式，并為這種表示方式設計相應的知識描畫言語。所謂知識描畫言語，就是知識的詳細語法構造方式。所以，知識描畫言語既要面向人、面向用戶，又要面向知識表示、面向機器，還要面向推理、面向知識運用。這就要求知識描畫言語既能為用戶提供一種方便、易懂的外部知識表達方式，又能將這種外部表示轉換成容易存儲、管理、運用的內部方式。3.4知識庫與知識庫管理系統(tǒng)設計知識庫是專家系統(tǒng)的中心。知識庫的質量直接關系到整個系統(tǒng)的性能和效率。因此，知識庫涉及知識的組織與管理。知識的組織決議了知識庫的構造，知識的管理包括知識庫的建立、刪除、重組及維護和知識的錄入、查詢、更新、優(yōu)化等，還有知識的完好性、一致性、冗余性檢查和平安維護等方面的任務。知識管理由知識庫管理系統(tǒng)擔任。1.知識庫設計知識庫設計主要是設計知識庫的構造，即知識的組織方式。專家系統(tǒng)〔或知識工程〕中所涉及的知識庫，普通取層次構造或網(wǎng)狀構造方式。這種構造方式是把知識按某種原那么進展分類，然后分塊分層組織存放，如按元知識、專家知識、領域知識等分層組織；而每一塊和每一層還可以再分塊分層。這樣，整個知識庫就呈樹型或網(wǎng)狀構造。例如，以下圖所示的就是一個醫(yī)療診斷知識庫的層次構造。醫(yī)療診斷知識庫層次構造醫(yī)療診斷知識庫消化系統(tǒng)知識庫呼吸系統(tǒng)知識庫……肝病知識庫胃病知識庫……2.知識庫管理系統(tǒng)設計知識庫管理系統(tǒng)應包括知識一級和知識庫一級的各種管理功能。1)知識操作功能設計知識操作功能包括知識的添加、刪除、修正、查詢和統(tǒng)計等。這些功能可采用兩種方法來實現(xiàn)。一種方法就是利用屏幕窗口，經(jīng)過人機對話方式實現(xiàn)知識的增、刪、改、

查等；另一種方法就是用全屏幕編輯方式，讓用戶直接用鍵盤按知識描畫言語的語法格式編輯知識。2)知識檢查功能設計知識檢查包括知識的一致性、完好性、冗余性等檢查。所謂知識的一致性，就是知識庫中的知識必需是相容的，即無矛盾。例如，下面的兩條規(guī)那么r1:ifPthenQr2:ifPthenQ就是矛盾的。那么，像這樣的規(guī)那么就不能同時存在于一個知識庫中。所謂完好性，是指知識中的約束條件，稱為完好性約束。例如，小王的身高x米，那么必需滿足：x<3米；又如，弟弟今年x歲，哥哥今年y歲，那么必需滿足x<y。否那么就破壞了知識的完好性。所謂冗余性，就是反復、多余等。冗余性檢查就是檢查知識庫中的知識能否存在冗余。也就是要求不能存在冗余。冗余的表現(xiàn)有反復、包含、環(huán)路等景象。例如，下面的三條規(guī)那么：r1:ifPthenQr2:ifQthenRr3:ifPthenR3)知識庫操作設計知識庫操作包括知識庫〔文件〕的建立、刪除、分解、合并等。這里著重要闡明的是知識庫的分解與合并。這兩種功能類似于關系數(shù)據(jù)庫的投影、選擇和銜接操作，它們實現(xiàn)的是知識庫的重組。我們說，知識庫的重組也是能夠甚至是必要的。由于隨著系統(tǒng)的運轉，能夠會發(fā)現(xiàn)原先的知識組合不合理，因此就需求重新組合，這時就需求運用知識庫的分解與合并功能。3.5推理機與解釋功能設計1.從哪里著手;推理機是與知識庫對應的專家系統(tǒng)的另一重要部件。推理機的推理是基于知識庫中的知識進展的。所以，推理機就必需與知識庫及其知識相順應、相配套。詳細來講，就是推理機必需與知識庫的構造、層次以及其中知識的詳細表示方式等相協(xié)調、相匹配。否那么，推理機與知識庫將無法接軌。因此，設計推理機時，首先得對知識庫有所了解。2.還應思索些什么對推理機本身而言，還要思索推理的方式、方法和控制戰(zhàn)略等。例如，對于推理方式，是正向推理，還是反向推理或雙向推理？是準確推理，還是不準確推理？是串行推理，還是并行推理？是單調推理，還是非單調推理？又如，對于推理方法，是用歸結法，還是用自然演繹法？對于不準確推理采用什么樣的推理模型？還有，對于搜索控制，是采用深度優(yōu)先還是廣度優(yōu)先，對于沖突消解是根據(jù)優(yōu)先數(shù)，還是可信度或程度〔即隸屬度〕等等。3.算法設計與程序設計做了上述的分析以后，就可著手設計推理機的算法了。對于一個基于規(guī)那么的系統(tǒng)來說，其推理機也就相當于產(chǎn)生式系統(tǒng)中的執(zhí)行控制部件，所以其運轉過程也就是產(chǎn)生系統(tǒng)的運轉過程，因此，產(chǎn)生式系統(tǒng)所采用的算法，或者圖搜索中所用的算法也就是這里的推理機所用的算法。算法確定后，就可進展程序設計。至于推理機用何種程序文語實現(xiàn)，這個并無什么限制，如可以用傳統(tǒng)的LISP或PROLOG言語，也用當前流行的C或C++言語。4.解釋機制如何實現(xiàn)另外，在推理機的設計中還得思索解釋機制。由于專家系統(tǒng)普通要求要有解釋功能。即在推理中要能回答用戶“為什么〞的問題，在推理終了后，要能回答“怎樣樣〔得到結果〕〞的問題。從系統(tǒng)的構造上講，普通是把解釋作為一個獨立的模塊，但實踐上解釋功能也是與推理機親密相關的。由于要解釋就必需對推理進展實時跟蹤。3.6系統(tǒng)構造設計系統(tǒng)構成技術被稱為人工智能的三大技術之一。所以，對一個專家系統(tǒng)來說，其體系構培育顯得非常重要。雖然從原理來講，專家系統(tǒng)由知識庫、推理機等部分組成，但由于受問題領域、系統(tǒng)規(guī)模、知識表示方法、知識庫構造以及其他特殊性等諸多要素的影響，故專家系統(tǒng)的體系構造難以構成固定的方式。普通來講，有諸如獨立式〔一個“純〞專家模塊〕、混合式〔還有其他處置模塊〕、集中式、分布式、層次式以及“黑板模型〞等。3.7人機界面設計人機界面對于一個適用專家系統(tǒng)(特別是咨詢型知識系統(tǒng))來說至關重要。一個專家系統(tǒng)普通有兩個人機界面：一個是面向系統(tǒng)開發(fā)和維護者的；一個是面向最終運用者的。前一個界面由開發(fā)工具提供；后一個那么是專家系統(tǒng)本身的一部分。由于圖形用戶界面(GUI)的廣泛運用，所以目前專家系統(tǒng)的開發(fā)界面已到達相當高的程度。而專家系統(tǒng)的運用界面相對還比較落后。這是由于，運用界面往往要涉及“人機對話〞，如人對系統(tǒng)的訊問、系統(tǒng)對人的回答，特別是系統(tǒng)對用戶的解釋。

4專家系統(tǒng)開發(fā)工具與環(huán)境

4.1專家系統(tǒng)開發(fā)工具專家系統(tǒng)(ES)工具有時也叫做ES外殼和ES環(huán)境，主要是研制樣機的工具，經(jīng)過抽調某個ES的知識庫，就可從特殊的ES中抽出外殼來而成為ES工具。ES工具支持的功能包括：推理過程、數(shù)據(jù)存取、自然言語對話的界面(接口)、過程的界面、解釋功能。

ES開發(fā)工具和環(huán)境可分為五種主要類型:程序設計言語、知識工程言語、輔助型工具、支持工具及開發(fā)環(huán)境，如下圖。專家系統(tǒng)建造方法可以分成以下三種:①利用計算機高級言語編寫建造ES；②利用計算機程序設計環(huán)境編寫建造ES；③用計算機程序設計工具建造ES。專家系統(tǒng)工具和環(huán)境專家系統(tǒng)工具和環(huán)境的組成程序設計言語知識工程言語輔助型工具支持工具開發(fā)環(huán)境面向問題的言語符號處置言語骨架型通用型知識獲取系統(tǒng)設計助手程序設計輔助解釋設備4.2專家系統(tǒng)言語型工具4.2.1程序設計言語程序設計言語包括面向問題的言語和符號處置言語。面向問題的言語是為特定的問題類型而設計的，其主要代表有C、PASCAL、ADA等，它們在處置代數(shù)運算方面有很方便的特征；符號處置言語是為人工智能運用而設計的，它的主要代表有以LISP為代表的函數(shù)型言語，以Prolog為代表的邏輯型言語，以及C++、Java等為代表的面向對象言語。這些言語典型的特點是具有很強的遞歸功能4.2.2知識工程言語骨架型知識工程言語骨架型知識工程言語也稱為專家系統(tǒng)外殼，它是由一些曾經(jīng)成熟的詳細專家系統(tǒng)演化來的。其演化方法是，抽去這些專家系統(tǒng)中的詳細知識，保管它們的體系構造和推理機功能，再把領域公用的界面改為通用界面，這樣，就可得到相應的專家系統(tǒng)外殼。當用它來建造專家系統(tǒng)時，只須把相應領域的專家知識用外殼規(guī)定的知識表示方式裝入知識庫，就可以快速地產(chǎn)生一個新的專家系統(tǒng)。ES外殼的典型代表有EMYCIN、KAS及EXPERT等通用型知識工程言語通用型ES開發(fā)工具，是專門用于構造和調試ES的通用程序設計言語。它是完全重新設計的一類ES開發(fā)工具，不依賴于任何已有ES，不針對任何詳細領域，可以處置不同問題領域和不同問題類型。它比骨架系統(tǒng)提供了更多的對數(shù)據(jù)存取和查找的控制，具有更大的靈敏性和通用性，但比較難于運用。表通用型知識工程言語4.3專家系統(tǒng)設計工具4.3.1輔助型工具ES輔助工具是ES開發(fā)工具中支撐環(huán)境的一部分，主要用于協(xié)助建造高質量的知識庫和調試ES，包括一些用來協(xié)助獲取知識、表達知識的程序，以及協(xié)助知識工程師設計ES的程序。1.知識獲取輔助工具