第7章專家系統(tǒng)

第７章專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用領(lǐng)域中最活躍的一個分支,自1968年費根鮑姆等人研制成功第一個專家系統(tǒng)DENDRAL以來,應(yīng)用于醫(yī)療診斷、圖象處理、石油化工、地質(zhì)勘探、金融決策、實時監(jiān)控、分子遺傳工程、教學(xué)、軍事等不同領(lǐng)域中的專家系統(tǒng)就象雨后春筍般涌現(xiàn)出來。成功的專家系統(tǒng)不僅取得了極大的社會效益和經(jīng)濟效益，同時也促進了人工智能基本理論和基本技術(shù)的研究和發(fā)展。第７章專家系統(tǒng)本章將對專家系統(tǒng)的有關(guān)概念及建造技術(shù)進行討論，并給出相應(yīng)的實例。什麼是專家系統(tǒng)？關(guān)于專家系統(tǒng)到現(xiàn)在尚沒有一個嚴格的定義，但專家們共識：一個專家系統(tǒng)是一個智能程序系統(tǒng)，它里面應(yīng)具有大量相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹R，它能應(yīng)用人工智能技術(shù)模擬領(lǐng)域?qū)＜仪蠼鈫栴}的思維過程進行推理，解決相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的困難問題，并且達到甚至超過領(lǐng)域?qū)＜业乃?。專家系統(tǒng)的基本特征１、具有專家水平的專門知識一個專家系統(tǒng)為了能象人類專家那樣工作，就必須具有專家級的知識，知識越豐富，質(zhì)量越高，解決問題的能力就越強。專家系統(tǒng)的知識可分為三個層次，即數(shù)據(jù)級、知識庫級和控制級。數(shù)據(jù)級知識是指具體問題所提供的初始事實以及問題求解過程中產(chǎn)生的中間結(jié)論，最終結(jié)論等。專家系統(tǒng)的基本特征如醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)中患者的癥狀、化驗結(jié)果及由專家系統(tǒng)推出的病因、治療方案等，這一類知識通常存放在數(shù)據(jù)庫中。知識庫級知識是指專家的知識，例如醫(yī)學(xué)常識、醫(yī)生的經(jīng)驗等。這一類知識是構(gòu)成專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而且專家系統(tǒng)的性能主要取決于知識庫的質(zhì)量和數(shù)量。專家系統(tǒng)的基本特征控制性知識是關(guān)于如何運用前兩種知識的知識。這一級的知識直接關(guān)系到系統(tǒng)的智能程度。它和設(shè)計系統(tǒng)的計算機工程師的水平有關(guān)。２、能進行有效的推理不同專家系統(tǒng)所面臨的領(lǐng)域問題不同，要求解的問題有不同的特性，因而不同專家系統(tǒng)的推理機制也不盡相同。有的需要精確推理，有的則要求進行不精確專家系統(tǒng)的基本特征甚至是不完全推理及試探性推理等，需要根據(jù)問題的性質(zhì)分別進行設(shè)計。我們介紹的知識表示、推理及搜索策略都可在專家系統(tǒng)中應(yīng)用。３、具有獲取知識的能力專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)是知識。為了得到知識必須具有獲取知識的能力。目前這個問題仍然是個瓶頸問題。專家系統(tǒng)的基本特征一些高級專家系統(tǒng)正在建立一些自動獲取工具，使系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)能力，能從系統(tǒng)的實踐中不斷總結(jié)出新的知識，使知識庫中的知識越來越豐富、完善。４、具有靈活性大多數(shù)專家系統(tǒng)采取知識庫與推理機分離的構(gòu)造原則，彼此既聯(lián)系又相互獨立。這種結(jié)構(gòu)就使得人們可能把一個技術(shù)上成熟的專家系統(tǒng)變?yōu)橐粋€專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的基本特征工具，只要抽去知識庫中知識就可以使其變成一個專家系統(tǒng)外殼。當(dāng)要建立另一個其功能與之類似的專家系統(tǒng)時，只要把該相應(yīng)的知識裝入到該外殼的知識庫中就可以了。這就節(jié)省了耗時費工的開發(fā)工作。事實上目前的一些專家系統(tǒng)開發(fā)工具就是這樣得來的。專家系統(tǒng)的基本特征５、具有透明性所謂專家系統(tǒng)的透明性是指系統(tǒng)及其行為能被用戶所理解。專家系統(tǒng)之所以有較好的透明性是因為它具有解釋功能．一個專家系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)一些智能性的功能而且還能夠解釋這樣做的理由和原因，這也是專家系統(tǒng)和其它一般管理系統(tǒng)不同的地方．

專家系統(tǒng)的基本特征６、具有交互性專家系統(tǒng)一般都是交互式系統(tǒng)一方面它需要和領(lǐng)域?qū)＜壹爸R工程師進行對話以獲取知識，另一方面它需要和用戶對話以索要求解問題的事實以及回答用戶的詢問。專家系統(tǒng)的這一特征為用戶提供了極大的方便。專家系統(tǒng)的基本特征７、具有實用性專家系統(tǒng)都是根據(jù)領(lǐng)域問題的實際需求開發(fā)的，所以它具有較強的實用性。目前專家系統(tǒng)已被應(yīng)用于多種領(lǐng)域中，并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。８、具有一定的復(fù)雜性和難度由于專家系統(tǒng)是一個模擬人類求解問題的思維過程，但是人類的思維方式是多種多樣的，因此真正實現(xiàn)對人類思維的專家系統(tǒng)的基本特征模擬還是一件很困難的工作，它要依賴于多種學(xué)科的共同發(fā)展。在建造一個專家系統(tǒng)時會遇到各種困難問題，如不確定知識的表示，不確定性知識的計算，匹配等。盡管我們在前面已經(jīng)討論了一些解決問題的處理方法，但對具體問題還要進行調(diào)整。專家系統(tǒng)的基本特征一個專家系統(tǒng)是一個智能程序系統(tǒng)，它和一般的程序系統(tǒng)的區(qū)別在于：常規(guī)程序＝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)＋算法專家系統(tǒng)＝知識＋推理常規(guī)程序把關(guān)于對問題求解的知識隱含在程序中，而專家系統(tǒng)把這些知識和程序分離單獨放在知識庫中。常規(guī)程序是通過計算和查找來求取問題的答案，而專家系統(tǒng)是通過推理來求取專家系統(tǒng)的基本特征問題的答案，本質(zhì)上面向符號處理的。常規(guī)程序處理的數(shù)據(jù)多是精確的，對數(shù)據(jù)的檢索是基于模式的布爾匹配，而專家系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)及知識多是不精確的、模糊的，知識的模式匹配也多是不精確的需要為其設(shè)定域值。常規(guī)程序一般不具有解釋功能，而專家系統(tǒng)必須具有解釋功能。它們具有不同的體系結(jié)構(gòu)。專家系統(tǒng)的分類按照專家系統(tǒng)求解問題的性質(zhì)，可以把它分為下列幾種類型。1.

解釋專家系統(tǒng)（expertsystemforinterpretation）解釋專家系統(tǒng)的任務(wù)是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。解釋專家系統(tǒng)具有下列的特點：（1）系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量很大，而且往往是不準確的、有錯誤的、

或不完全的。專家系統(tǒng)的分類（2）

系統(tǒng)能夠從不完全的信息中得出解釋，并能對數(shù)據(jù)作出某些假設(shè)。（3）

系統(tǒng)的推理過程可能很復(fù)雜并且很長，因此要求系統(tǒng)具有對自身的推理過程作出解釋的能力。作為解釋專家系統(tǒng)的例子有語音理解、圖象分析、系統(tǒng)監(jiān)視、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析和信號解釋等。專家系統(tǒng)的分類2.

預(yù)測專家系統(tǒng)(Expertsystemforprediction）預(yù)測專家系統(tǒng)的任務(wù)是通過對過去和現(xiàn)在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況。一個預(yù)測專家系統(tǒng)具有下列特點：(1)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)隨時間變化，而且可能是不準確和不完全的。專家系統(tǒng)的分類(2)系統(tǒng)需要有隨時間變化的動態(tài)模型，能夠從不完全和不準確的信息中得出預(yù)報，并達到快速響應(yīng)的要求。預(yù)測專家系統(tǒng)的例子有氣象預(yù)報、軍事預(yù)測、人口預(yù)測、交通預(yù)測、經(jīng)濟預(yù)測和谷產(chǎn)量預(yù)測等。專家系統(tǒng)的分類3.診斷專家系統(tǒng)（expertsystemfordiagnosis）診斷專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)觀察到的情況（數(shù)據(jù)）來推斷出某個對象機能失常（即故障）的原因。診斷專家系統(tǒng)具有下列特點：（1）能夠了解被診斷對象或客體各組成部分的特性以及它們之間的關(guān)系。（2）

能夠區(qū)分一種現(xiàn)象及其所掩蓋的另一種現(xiàn)象。專家系統(tǒng)的分類（3）能夠向用戶提出測量的數(shù)據(jù)，并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷。診斷專家系統(tǒng)的例子很多，如醫(yī)療診斷，電子機械和軟件故障診斷以及材料失效診斷等。用于抗生素治療的MYCIN、肝功能檢驗的PUFF、青光眼治療的CASNET都是國內(nèi)外頗有名氣的實例。專家系統(tǒng)的分類4.設(shè)計專家系統(tǒng)（expertsystemforplanning）設(shè)計專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)設(shè)計要求，求出滿足設(shè)計問題約束目標的目標配置。一個設(shè)計專家系統(tǒng)具有如下的特點：（1）善于從多方面的約束中得到符合要求的設(shè)計結(jié)果。（2）

系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間。專家系統(tǒng)的分類（3）善于分析各種子問題，并處理好子問題間的相互作用。（4）能夠?qū)嶒炐缘貥?gòu)造出可能設(shè)計，并易對所得設(shè)計方案進行修改。（5）能夠使用已被證明是正確的設(shè)計來解釋當(dāng)前的（新的）設(shè)計。專家系統(tǒng)的分類設(shè)計專家系統(tǒng)涉及電路（如數(shù)字電路和集成電路）設(shè)計、土木建筑工程設(shè)計、計算機結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)工藝設(shè)計等。5.

規(guī)劃專家系統(tǒng)（expertsystemforplanning）規(guī)劃專家系統(tǒng)的任務(wù)在于尋找出某個能夠達到給定目標的動作序列或步驟。規(guī)劃專家系統(tǒng)的特點如下：專家系統(tǒng)的分類（1）所要規(guī)劃的目標是動態(tài)的或靜態(tài)的，因而需要對未來動作做出預(yù)測。（2）

所涉及的問題可能很復(fù)雜，要求系統(tǒng)能抓住重點，處理好各子目標間的關(guān)系和不確定的數(shù)據(jù)信息，并通過實驗性動作得出可行規(guī)劃。專家系統(tǒng)的分類規(guī)劃專家系統(tǒng)可用于機器人規(guī)劃、交通運輸調(diào)度、工程項目論證、通信與軍事指揮以及農(nóng)作物施肥方案規(guī)劃等。比較典型的規(guī)劃專家系統(tǒng)的例子有3界3號軍事指揮調(diào)度系統(tǒng)、REPOS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)以及小麥和水稻施肥專家系統(tǒng)等。專家系統(tǒng)的分類6.

監(jiān)視專家系統(tǒng)（expertsystemformonitoring）監(jiān)視專家系統(tǒng)的任務(wù)在于對系統(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(yīng)當(dāng)具有的行為進行比較，以發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報。監(jiān)視專家系統(tǒng)具有以下特點：（1）系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力，在造成事故之前及時發(fā)出警報。專家系統(tǒng)的分類（2）系統(tǒng)發(fā)出的警要有很高的準確性。在需要發(fā)警報時發(fā)警報在不需要發(fā)警報時不得輕易發(fā)警報（假警報）

（3）系統(tǒng)能隨時間和條件的變化而動態(tài)地處理其輸入信息。

監(jiān)視專家系統(tǒng)可用于核電站的安全監(jiān)視、防空監(jiān)視與報警、國家財政的監(jiān)控、傳染病疫情監(jiān)視及農(nóng)作物病蟲害監(jiān)視與報警等。黏蟲測報專家系統(tǒng)是監(jiān)視專家系統(tǒng)的一個實例。

專家系統(tǒng)的分類7.控制專家系統(tǒng)(expertsystemforcontrol)控制專家系統(tǒng)的任務(wù)是自適應(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。控制專家系統(tǒng)的特點是：能夠解釋當(dāng)前的情況，預(yù)測未來可能發(fā)生的情況，診斷可能發(fā)生的問題及其原因，不斷修正計劃，并控制計劃的執(zhí)行。也就是說，控制專家系統(tǒng)具有解釋、預(yù)測、診斷、規(guī)劃和執(zhí)行等多種功能。

專家系統(tǒng)的分類空中交通管制、商業(yè)管理、自主機器人控制、作戰(zhàn)管理、生產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)質(zhì)量控制等都是控制專家系統(tǒng)潛在的應(yīng)用方面。例如，已經(jīng)對海、陸、空自主車、生產(chǎn)線調(diào)度和產(chǎn)品質(zhì)量控制等課題進行控制專家系統(tǒng)的研究。專家系統(tǒng)的分類8.

調(diào)試專家系統(tǒng)（expertsysytemfordebugging）調(diào)試專家系統(tǒng)的任務(wù)是對失靈的對象給出處理的意見和方法。調(diào)試專家系統(tǒng)的特點是同時具有規(guī)劃、設(shè)計、預(yù)報和診斷等專家系統(tǒng)的功能。專家系統(tǒng)的分類9.教學(xué)專家系統(tǒng)(expertsystemforinstruction)教學(xué)專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)學(xué)生的特點、弱點和基礎(chǔ)知識，以最適當(dāng)?shù)慕贪负徒虒W(xué)方法對學(xué)生進行教學(xué)和輔導(dǎo)。教學(xué)專家系統(tǒng)的特點是：（1）同時具有調(diào)試和診斷功能。（2）具有良好的人機界面。

專家系統(tǒng)的分類已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用的教學(xué)專家系統(tǒng)有美國麻省理工學(xué)院MACSYMA符號積分與定理證明系統(tǒng)，我國一些大學(xué)開發(fā)的計算機科學(xué)相關(guān)課程和物理智能計算機輔助教學(xué)系統(tǒng)以及聾啞人語言訓(xùn)練專家系統(tǒng)等。專家系統(tǒng)的分類10.

修理專家系統(tǒng)（expertsystemforrepair）修理專家系統(tǒng)的任務(wù)是對發(fā)生故障的對象（系統(tǒng)或設(shè)備）進行處理，使其恢復(fù)正常工作。修理專家系統(tǒng)具有診斷、調(diào)試、計劃和執(zhí)行等功能。專家系統(tǒng)的分類如果按體系結(jié)構(gòu)劃分專家系統(tǒng)可分為四大類：１集中式專家系統(tǒng)２分布式專家系統(tǒng)３神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)４符號系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的專家系統(tǒng)．分別簡單解釋如下：專家系統(tǒng)的分類集中式專家系統(tǒng)是指知識和推理進行集中管理的一類專家系統(tǒng)，目前一些成功的專家系統(tǒng)都屬這種類型．在這類專家系統(tǒng)中按知識及推理的組織方式不同又可分為層次結(jié)構(gòu)、深淺雙層結(jié)構(gòu)、多層聚焦結(jié)構(gòu)及黑板結(jié)構(gòu)等。例如青光眼診治專家系統(tǒng)CASNET就是一個三層推理結(jié)構(gòu)的例子，其推理模型分為癥狀層、病變層及診斷層。專家系統(tǒng)的分類由癥狀層的癥狀可得知相應(yīng)的病變，由病變可推出是哪種青光眼。深淺雙層結(jié)構(gòu)是指具有深層知識（問題領(lǐng)域內(nèi)的原理性知識）及淺層知識（領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗知識）這兩個知識庫，并相應(yīng)的有兩個推理機，分別用兩個知識庫的知識進行推理，為了協(xié)調(diào)兩個推理機的工作，在它們之上建立了一個控制機構(gòu)進行管理。專家系統(tǒng)的分類多層聚焦結(jié)構(gòu)是指知識庫中知識是動態(tài)組織的，把當(dāng)前對推理最有用最有希望推出結(jié)論的知識稱為焦點，并把它置于聚焦結(jié)構(gòu)的最上層，把有希望入選的知識放在第二層，如此類推，每個知識元所在的層不是固定的，隨著推理的進行不斷地調(diào)整，這類知識多用于框架、對象表示知識的系統(tǒng)中。專家系統(tǒng)的分類黑板結(jié)構(gòu)通常用于求解比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，在這類系統(tǒng)中一般有多個知識庫及推理機，它們通過一個結(jié)構(gòu)化的公共數(shù)據(jù)區(qū)即黑板來交換信息，語音識別系統(tǒng)HEARSAY-

首先使用了這一結(jié)構(gòu)．專家系統(tǒng)的分類分布式專家系統(tǒng)是指把知識庫或推理機分布在一個計算機網(wǎng)上，或者兩者同時進行分布的一類專家系統(tǒng)．