人工智能第6章-專家系統(tǒng)

第六章專家系統(tǒng)概述基本結(jié)構(gòu)開發(fā)步驟專家系統(tǒng)實(shí)例開發(fā)工具第六章專家系統(tǒng)概述基本結(jié)構(gòu)開發(fā)步驟專家系統(tǒng)實(shí)例開發(fā)工具概述專家系統(tǒng)是AI應(yīng)用研究的主要領(lǐng)域，1965年美國斯坦福大學(xué)開發(fā)出第一個(gè)專家系統(tǒng)DENDRAL。專家系統(tǒng)是這樣的一個(gè)系統(tǒng)：專家系統(tǒng)處理現(xiàn)實(shí)世界中提出的需要由專家來分析和判斷的復(fù)雜問題。

專家系統(tǒng)利用專家推理方法的計(jì)算機(jī)模型來解決問題，并且如果專家系統(tǒng)所要解決的問題和專家要解決的問題可相比較的話，專家系統(tǒng)應(yīng)該得到和專家相同的結(jié)論。概述專家系統(tǒng)的定義是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，內(nèi)部含有大量的專門知識與經(jīng)驗(yàn)，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處理的復(fù)雜問題。專家系統(tǒng)的特點(diǎn)

啟發(fā)性透明性靈活性概述專家系統(tǒng)的種類解釋專家系統(tǒng)(expertsystemforinterpretation)預(yù)測專家系統(tǒng)(expertsystemforprediction)診斷專家系統(tǒng)(expertsystemfordiagnosis)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)(expertsystemfordesign)規(guī)劃專家系統(tǒng)(expertsystemforplanning)監(jiān)視專家系統(tǒng)(

expertsystemformonitoring)控制專家系統(tǒng)(expertsystemforcontrol)調(diào)試專家系統(tǒng)(expertsystemfordebugging)教學(xué)專家系統(tǒng)(expertsystemforinstruction)修理專家系統(tǒng)(expertsystemforrepair)第六章專家系統(tǒng)概述基本結(jié)構(gòu)開發(fā)步驟專家系統(tǒng)實(shí)例開發(fā)工具第六章專家系統(tǒng)概述基本結(jié)構(gòu)開發(fā)步驟專家系統(tǒng)實(shí)例開發(fā)工具基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的要素知識庫：存放問題求解需要的領(lǐng)域知識。知識的種類一般包括作為專家經(jīng)驗(yàn)的判斷性知識以及描述各種事實(shí)的知識。知識的表示形式可以是多樣的，包括規(guī)則、框架及語義網(wǎng)絡(luò)等。動(dòng)態(tài)庫也稱上下文庫，或結(jié)合數(shù)據(jù)庫：用于存放系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需要的原始數(shù)據(jù)和產(chǎn)生的所有信息，包括用戶提供的信息，推理的中間結(jié)果，推理過程的記錄等。推理機(jī)：根據(jù)動(dòng)態(tài)庫的當(dāng)前狀態(tài)，利用知識庫中的知識進(jìn)行推理。推理機(jī)可以采用正向推理、逆向推理及雙向推理等各種策略。推理機(jī)的程序與知識庫的具體內(nèi)容無關(guān)，即推理機(jī)與知識庫相分離是專家系統(tǒng)的重要特征。它的優(yōu)點(diǎn)是對知識庫的修改和擴(kuò)充無須改動(dòng)推理機(jī)?；窘Y(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的要素知識獲取機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)建立、修改與擴(kuò)充知識庫，以及對知識庫的一致性、完整性等進(jìn)行維護(hù)。知識獲取機(jī)構(gòu)可以僅僅是一個(gè)知識編輯程序，也可以是一個(gè)復(fù)雜的知識獲取子系統(tǒng)，用來完成自動(dòng)知識獲取、自動(dòng)知識求精等功能.解釋機(jī)構(gòu)用于對求解過程作出說明，并回答用戶提出的問題。兩個(gè)最基本的問題是“How”和“Why”。對問題“How”，回答用戶結(jié)論和中間結(jié)果是如何得到的；對問題“Why”，告訴用戶向用戶提問的理由。解釋機(jī)構(gòu)的說明是根據(jù)知識庫和動(dòng)態(tài)庫中對推理過程的記錄作出的。人機(jī)接口在信息的內(nèi)部形式和人可接受的形式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。很多系統(tǒng)都提供了用戶熟悉的表示形式如自然語言、圖形、表格等。這些形式與信息的內(nèi)部表示形式相差很遠(yuǎn)，必須由入機(jī)接口加以轉(zhuǎn)換。第六章專家系統(tǒng)概述基本結(jié)構(gòu)開發(fā)步驟專家系統(tǒng)實(shí)例開發(fā)工具第六章專家系統(tǒng)概述基本結(jié)構(gòu)開發(fā)步驟專家系統(tǒng)實(shí)例開發(fā)工具開發(fā)步驟一個(gè)實(shí)用的專家系統(tǒng)的開發(fā)過程通常分為認(rèn)識、概念化、形式化、實(shí)現(xiàn)和測試五個(gè)階段。開發(fā)步驟認(rèn)識階段知識工程師通過與領(lǐng)域?qū)＜业暮献?，對領(lǐng)域問題進(jìn)行需求分析。包括認(rèn)識系統(tǒng)需要處理的問題范圍、類型和各種重要特征、預(yù)期的效益等，并確定領(lǐng)域?qū)＜业闹R類型的結(jié)構(gòu)，以及系統(tǒng)開發(fā)所需的各種資源，如軟件、硬件、人員、經(jīng)費(fèi)和時(shí)間等。概念化階段把問題求解所需要的各種專門知識概念化，確定概念之間的關(guān)系，并對任務(wù)進(jìn)行劃分，確定求解問題的控制流程和約束條件。開發(fā)步驟形式化階段把已經(jīng)整理出來的概念、概念間的關(guān)系以及領(lǐng)域?qū)ｉT知識用適合于計(jì)算機(jī)表示和處理的形式化方法描述出來，并選擇合適的系統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)，確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、推理規(guī)則以及控制策略，建立問題求解模型。實(shí)現(xiàn)階段把建立的形式模型映射到具體的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境中，選取適用的語言或工具建立可執(zhí)行的原型系統(tǒng)。測試階段通過運(yùn)行大量的實(shí)例，檢測原型系統(tǒng)的正確性以及性能等各種系統(tǒng)目標(biāo)是否達(dá)到。第六章專家系統(tǒng)概述基本結(jié)構(gòu)開發(fā)步驟專家系統(tǒng)實(shí)例開發(fā)工具第六章專家系統(tǒng)概述基本結(jié)構(gòu)開發(fā)步驟專家系統(tǒng)實(shí)例開發(fā)工具專家系統(tǒng)實(shí)例

MYClN系統(tǒng)

MYClN系統(tǒng)是由斯坦福大學(xué)開發(fā)的，從1972年開始，于1974年基本完成。它是一個(gè)用于診斷和治療血液感染性疾病的專家咨詢系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能比較全面，是一個(gè)典型的基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。

MYCIN系統(tǒng)由三個(gè)子系統(tǒng)和兩個(gè)庫組成：

動(dòng)態(tài)庫：存放正在進(jìn)行診斷的病人的情況，包括癥狀、化驗(yàn)結(jié)果、系統(tǒng)推導(dǎo)出的中間結(jié)果和最終結(jié)論等。知識庫：存放用于治療與診斷疾病的靜態(tài)數(shù)據(jù)與知識。專家系統(tǒng)實(shí)例

MYClN系統(tǒng)咨詢子系統(tǒng)：即推理機(jī)，根據(jù)知識庫中的診斷知識與動(dòng)態(tài)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，作出咨詢決策。解釋子系統(tǒng)：回答用戶用簡單的英語句子詢問的問題。問題可以涉及當(dāng)前的決策及系統(tǒng)的一般知識。每個(gè)咨詢決策作出后自動(dòng)進(jìn)入該系統(tǒng)。知識獲取子系統(tǒng)：協(xié)助感染病專家對知識庫進(jìn)行擴(kuò)充和修改。系統(tǒng)可以對專家輸入的英文語句進(jìn)行分析，并將其轉(zhuǎn)化成內(nèi)部的規(guī)則形式專家系統(tǒng)實(shí)例

MYClN系統(tǒng)專家系統(tǒng)實(shí)例

MYClN系統(tǒng)專家系統(tǒng)實(shí)例

MYClN系統(tǒng)中提供了十種上下文類型：(1)病人(PERSON)(2)當(dāng)前培養(yǎng)物(CURCULS)，當(dāng)前從病人身上提取的培養(yǎng)物。(3)先前培養(yǎng)物(PRIORCULS)，先前從病人身上提取的培養(yǎng)物。(4)當(dāng)前機(jī)體(CURORGS)，從當(dāng)前培養(yǎng)物中分離出來的有機(jī)體。(5)先前機(jī)體(PRIORORGS)，從先前培養(yǎng)物中分離出來的有機(jī)體。(6)手術(shù)(OPERS)，已對病人實(shí)施的手術(shù)。(7)手術(shù)藥物(0PDRGS)，在手術(shù)期間給病人使用的抗菌素藥物。(8)當(dāng)前藥物(CURDRUGS)，當(dāng)前對病人使用的抗菌素藥物。(9)先前藥物(PRIORDRUGS)，先前對病人使用的抗菌素藥物。(10)方案(POSSTEHER)，推薦的治療方案。專家系統(tǒng)實(shí)例

每個(gè)上下文有一組屬性(Attribute)，也稱為臨床參數(shù)(clinicalParameters)。每個(gè)臨床參數(shù)表示上下文的一個(gè)特征，如病人的姓名、培養(yǎng)物的地點(diǎn)、機(jī)體的形態(tài)、藥物的劑量等等。臨床參數(shù)用二元組＜屬性，上下文，值＞來表示。例如，三元組(形態(tài)、機(jī)體—1、桿狀)表示機(jī)體1的形態(tài)為桿狀。臨床參數(shù)按其所屬的上下文類型可分為六類：

PROP—CUL：培養(yǎng)物的屬性，如培養(yǎng)物的地點(diǎn)，收集的方法等。PROP—DRG：藥物的屬性，如藥物的名稱，使用期等。PROP—OP：手術(shù)的屬性，如手術(shù)中打開的體腔。PROP—ORG：機(jī)體的屬性，如機(jī)體的染色、形態(tài)。PROP—PT：病人的屬性，如病人的姓名、性別、年齡、過放史、診斷等。PROP—THER：療法的屬性，如處方的名稱、劑量。專家系統(tǒng)實(shí)例

臨床參數(shù)按其取值方式可分為三種：單值參數(shù)、多值參數(shù)和是否參數(shù)。每種臨床參數(shù)還可以用一組特性來描述，如：

EXPECT：參數(shù)的取值范圍

PROMPT：向用戶提問時(shí)使用的語句

LABDATA：是否原始數(shù)據(jù)

LOOKAHEAD：使用該參數(shù)作為前提條件的規(guī)則表

UPDATED—BY:推斷該參數(shù)值的規(guī)則表

CONTAINED—IN：結(jié)論中涉及該參數(shù)但又不修改該參數(shù)值的規(guī)則表

TRANS：參數(shù)的英文表示專家系統(tǒng)實(shí)例

MYCIN系統(tǒng)小的規(guī)則可按照調(diào)用它們的上下文的種類進(jìn)行分類，共分為12類CULRULES：用于培養(yǎng)物的規(guī)則，上下文種類為當(dāng)前培養(yǎng)物或先前培養(yǎng)物。CURCULRULE5：僅用于當(dāng)前培養(yǎng)物的規(guī)則。CURORGRULES：僅用于當(dāng)前機(jī)體的規(guī)則。DRGRULES：用于抗菌素藥物的規(guī)則，上下文種類為當(dāng)前藥物與先前藥物。OPRULES：用于手術(shù)的規(guī)則。0RDERRULES：用于方案的規(guī)則，對可能的治療方案進(jìn)行排序。專家系統(tǒng)實(shí)例0RGRUlES：用于機(jī)體的規(guī)則，上下文種類為當(dāng)前機(jī)體或先前機(jī)體。PATRULES：用于病人的規(guī)則。PDRGRULES：僅用于先前藥物的規(guī)則。PRCULRULES：僅用于先前培養(yǎng)物的規(guī)則。PRORGRULES：僅用于先前機(jī)體的規(guī)則。THERULES：存儲關(guān)于所選藥物的信息的規(guī)則。例如：規(guī)則037如果：機(jī)體的本性是未知的，且機(jī)體的染色是革蘭氏陰性，機(jī)體的形態(tài)是桿狀的，且機(jī)體的需氧性是需氧的則：存在強(qiáng)有力的啟發(fā)性證據(jù)(0．8)說明機(jī)體的類別是腸細(xì)菌科菌科專家系統(tǒng)實(shí)例控制策略

MYCIN系統(tǒng)采用逆向按理和深度優(yōu)先搜索策略。它的決策過程包括四個(gè)步驟：(1)確定患者有無需要治療的細(xì)菌感染。(2)確定可能引起感染的機(jī)體。’(3)確定對引起感染的機(jī)體有抑制作用的藥物(4)選擇最位處方。上述四個(gè)步驟不一定全部執(zhí)行。如果沒有什么感染需要抗菌素進(jìn)行治療，則應(yīng)跳過若干步驟，直接告訴用戶不用進(jìn)行抗菌素治療。專家系統(tǒng)實(shí)例例如：規(guī)則092如果：(1)存在一種需要治療的機(jī)體。(2)已經(jīng)考慮了其它可能存在的機(jī)體，即使它們在當(dāng)前培養(yǎng)物中還沒有被發(fā)現(xiàn)則：(1)根據(jù)敏感性數(shù)據(jù)編制能有效地抑制需要治療的機(jī)體的治療方案清單。(2)從已編制的清單中選擇最佳的治療方案。否則：指出患者不需治療：這條規(guī)則屬于PATRULES類型，作用于病人類型的上下文。整個(gè)咨詢過程分為兩步：(U在上下文樹的根結(jié)點(diǎn)建立病人上下文。(2)在新建立的病人結(jié)點(diǎn)應(yīng)用目標(biāo)規(guī)則。專家系統(tǒng)實(shí)例例如：MYCIN系統(tǒng)的部分推理過程專家系統(tǒng)實(shí)例例如：MYCIN系統(tǒng)的推理過程是通過兩個(gè)過程的相互調(diào)用實(shí)現(xiàn)的：

MONITOR，用于逐條分析規(guī)則的前提條件；

FINDOUT，用于尋找MONITOR需要的數(shù)據(jù)，它根據(jù)所需信息種類的不同采取不同的策略。專家系統(tǒng)實(shí)例專家系統(tǒng)實(shí)例專家系統(tǒng)實(shí)例PROSPECTOR應(yīng)用領(lǐng)域：地質(zhì)學(xué)主要研制人員：Gaschnig，1982年；Duda等，1979Reboh，1981年,(斯坦福大學(xué)國際研究所)功能：幫助地質(zhì)學(xué)家評價(jià)儲礦地點(diǎn)以尋找潛在的礦物資源。概述PROSPECTOR是用來幫助地質(zhì)學(xué)家評價(jià)某個(gè)勘探地點(diǎn)或地區(qū)在尋找特定類型礦床方面是否有利的專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對話接受用戶的野外勘探資料，在診斷過程結(jié)束時(shí)提供一份清單，列出可能儲有的礦床類型以及它們的似然性大小。如果儲有礦床的似然性足夠大，那么該系統(tǒng)就繼續(xù)確定最有利的鉆探地點(diǎn)。同某一類礦床有關(guān)的一般知識用一組產(chǎn)生式規(guī)則表示，這些規(guī)則都附有不確定性系數(shù)。專家系統(tǒng)實(shí)例PIP應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)主要研制人員：S．G．Pauker，P．Szolovits(麻省理工學(xué)院)功能：模擬腎臟病專家采集腎病患者現(xiàn)病史的活動(dòng)病癥用框架表示，這些知識都附有似然系數(shù)。專家系統(tǒng)實(shí)例INTERNIST-1應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)主要研制人員：J．D．Mvers，H．E．Pople(匹茲堡大學(xué)，1982年)功能：內(nèi)科學(xué)診斷病癥用框架表示，這些知識都附有似然系數(shù)。專家系統(tǒng)實(shí)例CRIB應(yīng)用領(lǐng)域：故障診斷主要研制人員：F．H．George，T．R．Addis，R．T．Harttey(布魯