第六章專家系統(tǒng)

教學(xué)內(nèi)容：本章主要介紹專家系統(tǒng)的定義、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和類型，分析了基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、基于框架的專家系統(tǒng)和基于模型的專家系統(tǒng)，歸納了協(xié)同式和分布式等新型專家系統(tǒng)，并結(jié)合實(shí)例介紹了專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和開發(fā)工具。

教學(xué)重點(diǎn)：專家系統(tǒng)的特點(diǎn)、專家系統(tǒng)的類型、專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

教學(xué)難點(diǎn)：專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

教學(xué)方法：課堂教學(xué)為主。注意結(jié)合學(xué)生前面所學(xué)的人工智能原理、知識(shí)的表示等內(nèi)容，及時(shí)提問加深學(xué)生對(duì)基本原理和概念以及專家系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)等的理解。利用網(wǎng)絡(luò)課程中的相關(guān)內(nèi)容，協(xié)助對(duì)抽象概念的理解。

教學(xué)要求：重點(diǎn)掌握專家系統(tǒng)的基本概念和設(shè)計(jì)，掌握基于規(guī)則、基于模型、基于框架的專家系統(tǒng)，了解新型專家系統(tǒng)的一些概念和類型，一般了解專家系統(tǒng)的開發(fā)工具以及評(píng)價(jià)方法。

6.1 專家系統(tǒng)概述

教學(xué)內(nèi)容：本小節(jié)討論專家系統(tǒng)的一些基本概念，介紹專家系統(tǒng)的定義、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和類型。本小節(jié)內(nèi)容是本章的一個(gè)重點(diǎn)，是深入學(xué)習(xí)討論專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

教學(xué)重點(diǎn)：專家系統(tǒng)的定義、專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、專家系統(tǒng)的一般特點(diǎn)、各類專家系統(tǒng)的任務(wù)和特點(diǎn)。

教學(xué)難點(diǎn)：專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與建造步驟。

教學(xué)方法：主要通過課堂教學(xué)，講解各種基本概念和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，歸納專家系統(tǒng)的一般特點(diǎn)，分析各類專家系統(tǒng)的任務(wù)、特點(diǎn)并進(jìn)行舉例

教學(xué)要求：重點(diǎn)掌握專家系統(tǒng)的定義與基本結(jié)構(gòu)，掌握專家系統(tǒng)的特點(diǎn)，了解專家系統(tǒng)的類型

6.1.1 專家系統(tǒng)的特點(diǎn)

1、定義

　　專家系統(tǒng)是一個(gè)含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題。簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。

2、專家系統(tǒng)特點(diǎn)

　　啟發(fā)性：專家系統(tǒng)能運(yùn)用專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理、判斷和決策。

　　透明性：專家系統(tǒng)能夠解釋本身的推理過程和回答用戶提出的問題，以便讓用戶能夠了解推理過程，提高對(duì)專家系統(tǒng)的信賴感。

　　靈活性：專家系統(tǒng)能不斷地增長(zhǎng)知識(shí)，修改原有知識(shí)，不斷更新。

3、專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　具體地說，包括下列八個(gè)方面：

　　(1)專家系統(tǒng)能夠高效率、準(zhǔn)確、周到、迅速和不知疲倦地進(jìn)行工作。

　　(2)專家系統(tǒng)解決實(shí)際問題時(shí)不受周圍環(huán)境的影響，也不可能遺漏忘記。

　　(3)可以使專家的專長(zhǎng)不受時(shí)間和空間的限制，以便推廣珍貴和稀缺的專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。

　　(4)專家系統(tǒng)能促進(jìn)各領(lǐng)域的發(fā)展。

　　(5)專家系統(tǒng)能匯集多領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)以及他們協(xié)作解決重大問題的能力。

　　(6)軍事專家系統(tǒng)的水平是一個(gè)國(guó)家國(guó)防現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。

　　(7)專家系統(tǒng)的研制和應(yīng)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　(8)研究專家系統(tǒng)能夠促進(jìn)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

6.1.2 專家系統(tǒng)的類型

1、解釋專家系統(tǒng)

　　任務(wù)通過對(duì)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(diǎn)數(shù)據(jù)量很大，常不準(zhǔn)確、有錯(cuò)誤、不完全能從不完全的信息中得出解釋，并能對(duì)數(shù)據(jù)做出某些假設(shè)，推理過程可能很復(fù)雜和很長(zhǎng)

　　例子語音理解、圖象分析、系統(tǒng)監(jiān)視、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析和信號(hào)解釋等。

2、預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)

　　任務(wù)通過對(duì)已知信息和數(shù)據(jù)的分析與解釋，確定它們的涵義。

　　特點(diǎn)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化，且可能是不準(zhǔn)確和不完全，系統(tǒng)需要有適應(yīng)時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)模型

　　例子有氣象預(yù)報(bào)、軍事預(yù)測(cè)、人口預(yù)測(cè)、交通預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)和谷物產(chǎn)量預(yù)測(cè)等

3、診斷專家系統(tǒng)

　　任務(wù)根據(jù)觀察到的情況(數(shù)據(jù))來推斷出某個(gè)對(duì)象機(jī)能失常(即故障)的原因

　　特點(diǎn)能夠了解被診斷對(duì)象或客體各組成部分的特性以及它們之間的聯(lián)系，能夠區(qū)分一種現(xiàn)象及其所掩蓋的另一種現(xiàn)象，能夠向用戶提出測(cè)量的數(shù)據(jù)，并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷

　　例子醫(yī)療診斷、電子機(jī)械和軟件故障診斷以及材料失效診斷等。

4、設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)

　　任務(wù)尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟。

　　特點(diǎn)從多種約束中得到符合要求的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間；能試驗(yàn)性地構(gòu)造出可能設(shè)計(jì)；易于修改；能夠使用已有設(shè)計(jì)來解釋當(dāng)前新的設(shè)計(jì)。

　　例子 VAX計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)等。

5、規(guī)劃專家系統(tǒng)

　　任務(wù)尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟。

　　特點(diǎn)所要規(guī)劃的目標(biāo)可能是動(dòng)態(tài)的或靜態(tài)的，需要對(duì)未來動(dòng)作做出預(yù)測(cè)，所涉及的問題可能很復(fù)雜。

　　例子軍事指揮調(diào)度系統(tǒng)、ROPES機(jī)器人規(guī)劃專家系統(tǒng)、汽車和火車運(yùn)行調(diào)度專家系統(tǒng)等。

6、監(jiān)視專家系統(tǒng)

　　任務(wù)對(duì)系統(tǒng)、對(duì)象或過程的行為進(jìn)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(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報(bào)。

　　特點(diǎn)系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力，發(fā)出的警報(bào)要有很高的準(zhǔn)確性，能夠動(dòng)態(tài)地處理其輸入信息。

　　例子粘蟲測(cè)報(bào)專家系統(tǒng)。

7、控制專家系統(tǒng)

　　任務(wù)自適應(yīng)地管理一個(gè)受控對(duì)象或客體的全面行為，使之滿足預(yù)期要求。

　　特點(diǎn)控制專家系統(tǒng)具有解釋、預(yù)報(bào)、診斷、規(guī)劃和執(zhí)行等多種功能。

　　例子空中交通管制、商業(yè)管理、自主機(jī)器人控制、作戰(zhàn)管理、生產(chǎn)過程控制和質(zhì)量控制等。

8、調(diào)試專家系統(tǒng)

　　任務(wù)對(duì)失靈的對(duì)象給出處理意見和方法。

　　特點(diǎn)同時(shí)具有規(guī)劃、設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)和診斷等專家系統(tǒng)的功能。

　　例子在這方面的實(shí)例還比較少見。

9、教學(xué)專家系統(tǒng)

　　任務(wù)

　　教學(xué)專家系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)、弱點(diǎn)和基礎(chǔ)知識(shí)，以最適當(dāng)?shù)慕贪负徒虒W(xué)方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和輔導(dǎo)。

　　特點(diǎn)

　　(1)同時(shí)具有診斷和調(diào)試等功能。

　　(2)具有良好的人機(jī)界面。

　　例子 MACSYMA符號(hào)積分與定理證明系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言和物理智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)以及聾啞人語言訓(xùn)練專家系統(tǒng)等。

　　10、修理專家系統(tǒng)

　　任務(wù)對(duì)發(fā)生故障的對(duì)象(系統(tǒng)或設(shè)備)進(jìn)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(jì)劃和執(zhí)行等功能。

　　例子美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的ACI電話和有線電視維護(hù)修理系統(tǒng)。

　　此外，還有決策專家系統(tǒng)和咨詢專家系統(tǒng)等。

習(xí)題：

1．能根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)、弱點(diǎn)和基礎(chǔ)知識(shí)，以最適當(dāng)?shù)慕贪负徒虒W(xué)方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和輔導(dǎo)的專家系統(tǒng)是：

A．解釋專家系統(tǒng)　　B．調(diào)試專家系統(tǒng)　　C．監(jiān)視專家系統(tǒng)　　D．教學(xué)專家系統(tǒng)

答案：D．

2．用于尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟的專家系統(tǒng)是：

A．設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)　　B．診斷專家系統(tǒng)　　C．預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)　　D．規(guī)劃專家系統(tǒng)

答案：D．

3．能對(duì)發(fā)生故障的對(duì)象（系統(tǒng)或設(shè)備）進(jìn)行處理，使其恢復(fù)正常工作的專家系統(tǒng)是：

A．修理專家系統(tǒng)　　B．診斷專家系統(tǒng)　　C．調(diào)試專家系統(tǒng)　　D．規(guī)劃專家系統(tǒng)

答案：A．

4．能通過對(duì)過去和現(xiàn)在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況的專家系統(tǒng)是：

A．修理專家系統(tǒng)　　B．預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)　　C．調(diào)試專家系統(tǒng)　　D．規(guī)劃專家系統(tǒng)

答案：B．

　

6.1.3 專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和建造步驟

1、專家系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

　　專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是指專家系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)造方法和組織形式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇恰當(dāng)與否，是與專家系統(tǒng)的適用性和有效性密切相關(guān)的。選擇什么結(jié)構(gòu)最為恰當(dāng)，要根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和所執(zhí)行任務(wù)的特點(diǎn)而定。

　　圖6.1表示專家系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。

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圖6.1 專家系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖????????????圖6.2 理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2、理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　如圖6.2所示。由于每個(gè)專家系統(tǒng)所需要完成的任務(wù)和特點(diǎn)不相同，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不盡相同，一般只具有圖中部分模塊。

　　接口是人與系統(tǒng)進(jìn)行信息交流的媒介，它為用戶提供了直觀方便的交互作用手段。

　　黑板是用來記錄系統(tǒng)推理過程中用到的控制信息、中間假設(shè)和中間結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù)。它包括計(jì)劃、議程和中

間解3部分。

　　知識(shí)庫(kù)包括兩部分內(nèi)容。一部分是已知的同當(dāng)前問題有關(guān)的數(shù)據(jù)信息；另一部分是進(jìn)行推理時(shí)要用到的一般知識(shí)和領(lǐng)域知識(shí)。

　　調(diào)度器按照系統(tǒng)建造者所給的控制知識(shí)，從議程中選擇一個(gè)項(xiàng)作為系統(tǒng)下一步要執(zhí)行的動(dòng)作。執(zhí)行器應(yīng)用知識(shí)庫(kù)中的及黑板中記錄的信息，執(zhí)行調(diào)度器所選定的動(dòng)作。協(xié)調(diào)器的主要作用就是當(dāng)?shù)玫叫聰?shù)據(jù)或新假設(shè)時(shí)，對(duì)已得到的結(jié)果進(jìn)行修正，以保持結(jié)果前后的一致性。

　　解釋器的功能是向用戶解釋系統(tǒng)的行為，包括解釋結(jié)論的正確性及系統(tǒng)輸出其它候選解的原因。

提問：已學(xué)過的知識(shí)表示的方法有那些？

　

3、一般應(yīng)用程序與專家系統(tǒng)的區(qū)別

　　前者把問題求解的知識(shí)隱含地編入程序，而后者

　　則把其應(yīng)用領(lǐng)域的問題求解知識(shí)單獨(dú)組成一個(gè)實(shí)體，

　　即為知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)的處理是通過與知識(shí)庫(kù)分開的

　　控制策略進(jìn)行的。更明確地說，一般應(yīng)用程序把知識(shí)組織為兩級(jí)：數(shù)據(jù)級(jí)和程序級(jí)；大多數(shù)專家系統(tǒng)則將知識(shí)組織成三級(jí)；數(shù)據(jù)、知識(shí)庫(kù)和控制。

提問：

1　專家系統(tǒng)的定義？　

2　專家系統(tǒng)程序與常規(guī)的應(yīng)用程序之間有何不同呢?

?

4、專家系統(tǒng)的建造步驟

參見圖6.3，建立系統(tǒng)的一般步驟如下：

　　（1)設(shè)計(jì)初始知識(shí)庫(kù)，包括：

　　　　(a) 問題知識(shí)化，即辨別所研究問題的實(shí)質(zhì)，如要解決的任務(wù)是什么，它是如何定義的，可否把它分解為子問題或子任務(wù)，它包含哪些典型數(shù)據(jù)等。

　　　　(b) 知識(shí)概念化，即概括知識(shí)表示所需要的關(guān)鍵概念及其關(guān)系，如數(shù)據(jù)類型、已知條件(狀態(tài))和目標(biāo)(狀態(tài))、提出的假設(shè)以及控制策略等。

　　　　(c) 概念形式化，即確定用來組織知識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用人工智能中各種知識(shí)表示方法把與概念化過程有關(guān)的關(guān)鍵概念、子問題及信息流特性等變換為比較正式的表達(dá)，它包括假設(shè)空間、過程模型和數(shù)據(jù)特性等。

　　　　(d)　形式規(guī)則化，即編制規(guī)則、把形式化了的知識(shí)變換為由編程語言表示的可供計(jì)算機(jī)執(zhí)行的語句和程序。

　　　　(e)　規(guī)則合法化，即確認(rèn)規(guī)則化了知識(shí)的合理性，檢驗(yàn)規(guī)則的有效性。

　　（2)原型機(jī)的開發(fā)與試驗(yàn)

　　在選定知識(shí)表達(dá)方法之后，即可著手建立整個(gè)系統(tǒng)所需要的實(shí)驗(yàn)子集，它包括整個(gè)模型的典型知識(shí)，而且只涉及與試驗(yàn)有關(guān)的足夠簡(jiǎn)單的任務(wù)和推理過程。

　　（3）知識(shí)庫(kù)的改進(jìn)與歸納

　　反復(fù)對(duì)知識(shí)庫(kù)及推理規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)，歸納出更完善的結(jié)果。經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間(例如數(shù)月至二、三年)的努力，使系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)達(dá)到人類專家的水平。

?

6.2 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)

教學(xué)內(nèi)容：本小節(jié)介紹基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。

教學(xué)重點(diǎn)：基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型和結(jié)構(gòu)。

教學(xué)難點(diǎn)：基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型。

教學(xué)方法：課堂講解。

教學(xué)要求：掌握基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的工作原理。

　

1、基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型

　　基于規(guī)則的專家系統(tǒng)是個(gè)計(jì)算機(jī)程序，該程序使用一套包含在知識(shí)庫(kù)內(nèi)的規(guī)則對(duì)工作存儲(chǔ)器內(nèi)的具體問題信息（事實(shí)）進(jìn)行處理，通過推理機(jī)推斷出新的信息。其工作模型如圖6.4所示。

圖6.4基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型

　

　　基于規(guī)則的專家系統(tǒng)不需要一個(gè)人類問題求解的精確匹配，而能夠通過計(jì)算機(jī)提供一個(gè)復(fù)制問題求解的合理模型。

提問：您學(xué)過的知識(shí)推理方法有哪些？

　

2、基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　一個(gè)基于規(guī)則專家系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)示于圖6.5。其中，知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和工作存儲(chǔ)器是構(gòu)成本專家系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)的主要部分是知識(shí)庫(kù)和推理引擎。根據(jù)到目前為止討論的推理系統(tǒng)，知識(shí)庫(kù)由謂詞演算事實(shí)和有關(guān)討論主題的規(guī)則構(gòu)成。推理引擎由所有操縱知識(shí)庫(kù)來演繹用戶要求的信息的過程構(gòu)成－如消解、前向鏈或反向鏈。用戶接口可能包括某種自然語言處理系統(tǒng)，它允許用戶用一個(gè)有限的自然語言形式與系統(tǒng)交互。也可能用帶有菜單的圖形接口界面。解釋子系統(tǒng)分析被系統(tǒng)執(zhí)行的推理結(jié)構(gòu)，并把它解釋給用戶。

圖6.5基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

?

6.3 基于框架的專家系統(tǒng)

教學(xué)內(nèi)容：本小節(jié)介紹基于框架的專家系統(tǒng)。

教學(xué)重點(diǎn)：面向目標(biāo)編程與基于框架設(shè)計(jì)，基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和一般設(shè)計(jì)方法。

教學(xué)難點(diǎn)：基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

教學(xué)方法：課堂教學(xué)。

教學(xué)要求：掌握基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

　

1、面向目標(biāo)編程與基于框架設(shè)計(jì)

　　基于框架的專家系統(tǒng)建立在框架的基礎(chǔ)之上，采用面向目標(biāo)編程技術(shù)，框架的設(shè)計(jì)和面向目標(biāo)的編程共享許多特征。在設(shè)計(jì)基于框架系統(tǒng)時(shí)，專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們把目標(biāo)叫做框架。

2、基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　基于框架的專家系統(tǒng)是個(gè)計(jì)算機(jī)程序，該程序使用一組包含在知識(shí)庫(kù)內(nèi)的框架對(duì)工作存儲(chǔ)器內(nèi)的具體

問題信息進(jìn)行處理，通過推理機(jī)推斷出新的信息。

　　這里采用框架而不是采用規(guī)則來表示知識(shí)。

　　為了說明設(shè)計(jì)和表示框架中的某些知識(shí)值，讓我們考慮圖6.6所示的人類框架結(jié)構(gòu)。

　　類、子類和例子（物體）用于表示對(duì)基于框架系統(tǒng)的組織。

3、基于框架專家系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法

　　基于框架專家系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)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(shí)，在設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)時(shí)，把整個(gè)問題和每件事想像為編織起來的事物

　　在辨識(shí)事物之后，尋找把這些事物組織起來的方法，對(duì)于任何類型的專家系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是高度交互的過程。

圖6.6人類的框架分層結(jié)構(gòu)

?

思考：1.知識(shí)表示中，框架的構(gòu)成、表示和推理為何？

　　　2.如何區(qū)別“目標(biāo)”和“框架”這兩個(gè)易混淆的術(shù)語?

思考：試述基于框架的專家系統(tǒng)與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的異同點(diǎn)。

提問：基于框架的專家系統(tǒng)與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)看待和使用知識(shí)上有何差別？

　

6.4 基于模型的專家系統(tǒng)

教學(xué)內(nèi)容：本小節(jié)介紹基于模型的專家系統(tǒng)。

教學(xué)重點(diǎn)：基于模型專家系統(tǒng)的模型與集成模式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

教學(xué)難點(diǎn)：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)的工作原理。

教學(xué)方法：課堂教學(xué)。

教學(xué)要求：掌握基于模型的專家系統(tǒng)工作原理。

　

1、基于模型專家系統(tǒng)的提出

　　對(duì)人工智能的研究?jī)?nèi)容有著各種不同的看法。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為：人工智能是對(duì)各種定性模型的獲得、表達(dá)及使用的計(jì)算方法進(jìn)行研究的學(xué)問。基于該觀點(diǎn)人們提出了基于模型的專家系統(tǒng)。

　　采用各種定性模型來設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。

　　在諸多模型中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用最為廣泛。

2、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從知識(shí)表示、推理機(jī)制到控制方式，與目前專家系統(tǒng)中的基于邏輯的心理模型有本質(zhì)的區(qū)別。

3、三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與專家系統(tǒng)集成模式

　（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持專家系統(tǒng) 以傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)為主，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)技術(shù)為輔。

　（2）專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有關(guān)技術(shù)為核心，建立相應(yīng)領(lǐng)域的專家系統(tǒng)，采用專家系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)完成解釋等方面的工作

　（3）協(xié)同式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng) 針對(duì)大的復(fù)雜問題，將其分解為若干子問題，針對(duì)每個(gè)子問題的特點(diǎn)，選擇用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)之間建立一種耦合關(guān)系

4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

　　自動(dòng)獲取模塊輸入、組織并存儲(chǔ)專家提供的學(xué)習(xí)實(shí)例、選定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，為知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)獲取。當(dāng)新的學(xué)習(xí)實(shí)例輸入后，知識(shí)獲取模塊通過對(duì)新實(shí)例的學(xué)習(xí)，自動(dòng)獲得新的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值分布，從而更新了知識(shí)庫(kù)。如圖6.7所示。

圖6.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

5、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個(gè)問題討論

　（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)表示是一種隱式表示。

　（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)例學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)獲取。

　（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理是個(gè)正向非線性數(shù)值計(jì)算過程，同時(shí)也是一種并行推理機(jī)制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各輸出節(jié)點(diǎn)的輸出是數(shù)值，因而需要一個(gè)解釋器對(duì)輸出模式進(jìn)行解釋。

　（4同一知識(shí)領(lǐng)域的幾個(gè)獨(dú)立的專家系統(tǒng)可組合成更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)。

提問：為什么不能把基于規(guī)則的專家系統(tǒng)組合成大系統(tǒng)？

　

　

6.5 新型專家系統(tǒng)

教學(xué)內(nèi)容：一般新型專家系統(tǒng)的特征，兩種新型專家系統(tǒng)：協(xié)同式和分布式專家系統(tǒng)。

教學(xué)重點(diǎn)：新型專家系統(tǒng)的特征，協(xié)同式專家系統(tǒng)，分布式專家系統(tǒng)。

教學(xué)難點(diǎn)：新型專家系統(tǒng)特征的內(nèi)涵。

教學(xué)方法：課堂教學(xué)。

教學(xué)要求：掌握新型專家系統(tǒng)的特征并與一般專家系統(tǒng)加以區(qū)別。

6.5.1 新型專家系統(tǒng)的特征

1、并行與分布處理

　　基于各種并行算法，采用各種并行推理和執(zhí)行技術(shù)，適合在多處理器的硬件環(huán)境中工作，即具有分布處理的功能。

2、多專家系統(tǒng)協(xié)同工作

　　在這種系統(tǒng)中，有多個(gè)專家系統(tǒng)協(xié)同合作。

3、高級(jí)語言和知識(shí)語言描述

　　專家系統(tǒng)生成系統(tǒng)就能自動(dòng)或半自動(dòng)地生成所要的專家系統(tǒng)。

4、具有自學(xué)習(xí)功能

　　新型專家系統(tǒng)應(yīng)提供高級(jí)的知識(shí)獲取與學(xué)習(xí)功能。

5、引入新的推理機(jī)制

　　在新型專家系統(tǒng)中，除演繹推理之外，還應(yīng)有歸納推理，各種非標(biāo)準(zhǔn)邏輯推理，以及各種基于不完全知識(shí)和模糊知識(shí)的推理等等。

6、具有自糾錯(cuò)和自完善能力

　　為了排錯(cuò)必須首先有識(shí)別錯(cuò)誤的能力，為了完善必須首先有鑒別優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

7、先進(jìn)的智能人機(jī)接口

　　理解自然語言，實(shí)現(xiàn)語聲、文字、圖形和圖象的直接輸入輸出是如今人們對(duì)智能計(jì)算機(jī)提出的要求。

6.5.2 分布式專家系統(tǒng)

1、主要目的：把一個(gè)專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解以后分布到多個(gè)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。

2、環(huán)境要求：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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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。

3、設(shè)計(jì)和實(shí)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(wù)合理均衡地分配到各處理節(jié)點(diǎn)上去

　　知識(shí)分布根據(jù)功能分布的情況把有關(guān)知識(shí)經(jīng)合理劃分以后分配到各處理節(jié)點(diǎn)上，

　　接口設(shè)計(jì)各部分間接口的設(shè)計(jì)目的是要達(dá)到各部分之間互相通訊和同步容易進(jìn)行，在能保證完成總的任務(wù)的前提下，要盡可能使各部分之間互相獨(dú)立，部分之間聯(lián)系越少越好。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一方面依賴于應(yīng)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(dòng)方式可供選擇的幾種驅(qū)動(dòng)方式。

　 （1）控制驅(qū)動(dòng)當(dāng)需要某模塊工作時(shí)，就直接將控制轉(zhuǎn)到該模塊，或?qū)⑺鳛橐粋€(gè)過程直接調(diào)用它，使它立即工作。

　　(2）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)一般一個(gè)系統(tǒng)的模塊功能都是根據(jù)一定的輸入，啟動(dòng)模塊進(jìn)行處理以后，給出相應(yīng)的輸出。

　　(3）需求驅(qū)動(dòng)　這種驅(qū)動(dòng)方式亦稱“目的驅(qū)動(dòng)”，是一種自頂向下的驅(qū)動(dòng)方式。與此同時(shí)又按數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的原則讓數(shù)據(jù)(或其他條件)具備的模塊進(jìn)行工作，輸出相應(yīng)的結(jié)果并送到各自該去的模塊。

　　(4）事件驅(qū)動(dòng)即當(dāng)且僅當(dāng)模塊的相應(yīng)事件集合中所有事件都已發(fā)生時(shí)，才能驅(qū)動(dòng)該模塊開始工作。否則只要其中有一個(gè)事件尚未發(fā)生，模塊就要等待，即使模塊的輸入數(shù)據(jù)已經(jīng)全部齊備也不行。

6.5.3 協(xié)同式專家系統(tǒng)

1、概述

　　一般專家系統(tǒng)解題的領(lǐng)域面很窄單個(gè)專家系統(tǒng)的應(yīng)用局限性很大，很難獲得滿意的應(yīng)用。

　　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(gè)重要途徑。

　　協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱“群專家系統(tǒng)”，表示能綜合若干個(gè)相近領(lǐng)域的或一個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)方面的子專家系統(tǒng)互相協(xié)作共同解決一個(gè)更廣領(lǐng)域問題的專家系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)子系統(tǒng)之間的協(xié)同合作，而不著重處理的分布和知識(shí)的分布。

思考：與分布式專家系統(tǒng)的區(qū)別?

　

2、設(shè)計(jì)與建立一個(gè)協(xié)同式多專家系統(tǒng)，需要解決的問題：

　　（1）任務(wù)的分解

　　根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)，將確定的總?cè)蝿?wù)分解成幾個(gè)分任務(wù)，分別由幾個(gè)分專家系統(tǒng)來完成。

　　（2）公共知識(shí)的導(dǎo)出

　　把解決各分任務(wù)所需知識(shí)的公共部分分離出來形成一個(gè)公共知識(shí)庫(kù)，供各子專家系統(tǒng)共享。對(duì)解決各分任務(wù)專用的知識(shí)則分別存放在各子專家系統(tǒng)的專用知識(shí)庫(kù)中。

　　（3）討論方式

　　目前很多作者主張采用“黑板”作為各分系統(tǒng)進(jìn)行討論的“園地”。為了保證在多用戶環(huán)境下黑板中數(shù)據(jù)或信息的一致性，需要采用管理數(shù)據(jù)庫(kù)的一些手段來管理它，使用它，因此黑板有時(shí)也稱作“中間數(shù)據(jù)庫(kù)”。

　　（4）裁決問題

　　這個(gè)問題的解決辦法往往十分依賴于問題本身的性質(zhì)。

　　（5）驅(qū)動(dòng)方式

　　這個(gè)問題是與分布數(shù)據(jù)庫(kù)中要考慮的相應(yīng)問題一致的。盡管協(xié)同式多專家系統(tǒng)、各子系統(tǒng)可能工作在一個(gè)處理機(jī)上，但仍然有以什么方式將各子系統(tǒng)根據(jù)總的要求激活執(zhí)行的問題，即所謂驅(qū)動(dòng)方式問題。

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6.6 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容：本小節(jié)以設(shè)計(jì)一個(gè)基于規(guī)則的維修咨詢系統(tǒng)為例，說明專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

教學(xué)重點(diǎn)：描述專家知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)，解釋決策。

教學(xué)難點(diǎn)：專家系統(tǒng)知識(shí)的表示和決策。

教學(xué)方法：課堂教學(xué)，實(shí)例講解。

教學(xué)要求：通過實(shí)例使學(xué)生更深入地了解專家系統(tǒng)，初步掌握專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

6.6.1專家知識(shí)的描述

　　按照EXPERT表達(dá)知識(shí)的方式，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中主要利用以下3個(gè)表達(dá)成分：假設(shè)或結(jié)論，觀測(cè)或觀察，推理或決策規(guī)則。在EXPERT中，觀測(cè)和假設(shè)之間是嚴(yán)格區(qū)分的。觀測(cè)是觀察或量測(cè)，它的值可以是“真(T)”，“假(F)”，數(shù)字或“不知道”等形式。假設(shè)是由系統(tǒng)推理得到的可能結(jié)論。通常假設(shè)附有不確定性的量度。推理或決策規(guī)則表示成產(chǎn)生式規(guī)則

1、結(jié)論的表示

　　結(jié)論規(guī)定了所涉及專門知識(shí)的范圍。在EXPERT中，每個(gè)假設(shè)用簡(jiǎn)寫的助記符號(hào)和用自然語言(中文、英語或其它設(shè)計(jì)者希望使用的語言)寫的正式的說明語句來表示。助記符號(hào)用于編寫決策規(guī)則時(shí)引用假設(shè)。

舉例：汽車修理的問題用表表示。

2、觀測(cè)的表示

　　觀測(cè)是得到結(jié)論所需要的觀察或量測(cè)結(jié)果。它們通常可以用邏輯值：真(T)，假(F)或“不知道”，或用數(shù)字來表示。把問題組織成菜單那樣的編組是一種很有效的方法。

3、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(cè)和假設(shè)之間的邏輯關(guān)系分成3類：

　　（1）從觀測(cè)到觀測(cè)的規(guī)則（FF規(guī)則）

　　FF規(guī)則規(guī)定那些可從已確定的觀測(cè)直接推導(dǎo)出來的觀測(cè)的真值。因?yàn)橥ㄟ^把觀測(cè)和假設(shè)相組合可以描述功能更強(qiáng)的產(chǎn)生式規(guī)則形式。

　　（2）從觀測(cè)到假設(shè)的規(guī)則（FH規(guī)則）

　　在許多用于分類的專家系統(tǒng)中，產(chǎn)生式規(guī)則可對(duì)產(chǎn)生式結(jié)論的可信程度進(jìn)行量度。

　　（3）從假設(shè)到假設(shè)的規(guī)則（HH規(guī)則）

　　HH(從假設(shè)到假設(shè))規(guī)則用來規(guī)定假設(shè)之間的推理。

6.6.2 知識(shí)的使用和決策解釋

　　建立專家系統(tǒng)還不是一門精確的科學(xué)。專家經(jīng)常提供大量的信息，必須力圖抽取專家推理過程中的關(guān)鍵內(nèi)容，并且盡可能準(zhǔn)確而簡(jiǎn)潔地表示這些知識(shí)。

1、結(jié)論的分級(jí)與選擇

　　按評(píng)價(jià)的先后次序，把規(guī)則分成等級(jí)和選擇規(guī)則是推理過程中控制策略的基本部分。可以根據(jù)專家的意見來排列與評(píng)價(jià)規(guī)則的次序。與此同時(shí)，還必須研究規(guī)則的評(píng)價(jià)次序的影響。規(guī)則評(píng)價(jià)次序的編排應(yīng)該使不論采取什么次序，都得到相同的結(jié)論。

　　在產(chǎn)生式規(guī)則中應(yīng)用可信度量測(cè)，不僅可以反映實(shí)際存在于專家知識(shí)中的不確定性，而且可以減少產(chǎn)生式規(guī)則的數(shù)量。

2、詢問問題的策略

　　要給出一個(gè)詢問問題的最佳策略是很困難的，詢問的質(zhì)量在很大程度上取決于在事先是否把問題清楚地組織好。一個(gè)好的詢問策略，關(guān)鍵之一是使問題包含盡可能多的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該根據(jù)共同的主題，把問題分成組。用FF規(guī)則這樣的很簡(jiǎn)單的規(guī)則，可以在問題調(diào)查表里強(qiáng)制按主題進(jìn)行分枝。如果系統(tǒng)推理所需的信息不是同時(shí)接受的話，可以有以下兩種提問策略：

　（1）某些場(chǎng)合下，專家是以預(yù)先仔細(xì)規(guī)定的序列或固定順序收集所需的知識(shí)。

　（2）系統(tǒng)不是按固定的順序詢問，而是根據(jù)具體情況作出某種選擇。

3、 決策的解釋

　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者和使用者都需要系統(tǒng)對(duì)它所作出的決策給予解釋。但是它們對(duì)決策解釋的要求又各不相同。

　　（1)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的解釋。

　　（2）對(duì)系統(tǒng)使用者的解釋。

　　一種解釋方法是用語句來說明結(jié)論。系統(tǒng)所用的假設(shè)可能是任何形式的包含說明和建議的語句。有時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者可以預(yù)先提出某些適合于給定假設(shè)的解釋。

問題：如果，所有的觀測(cè)可以同時(shí)被獲得，并且所研究的只是分類的問題，那么如何應(yīng)用簡(jiǎn)單的控制策略？

舉例：在修理汽車的例子中，可以給出一個(gè)總的來說多少是解釋性的說明，而不是生硬地把結(jié)論分成診斷和處理兩類。這樣的語句可以是以下形式：“因?yàn)槠嚨钠妆谎?#xff0c;所以把風(fēng)門踏板踩到底或等待10分鐘。”

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6.7 專家系統(tǒng)開發(fā)工具

教學(xué)內(nèi)容：本小節(jié)介紹四種主要的專家系統(tǒng)開發(fā)工具。

教學(xué)重點(diǎn)：骨架型工具(又稱外殼)、語言型工具、構(gòu)造輔助工具和支撐環(huán)境。

教學(xué)難點(diǎn)：語言型工具和支撐環(huán)境。

教學(xué)方法：課堂講解。

教學(xué)要求：了解專家系統(tǒng)的常用開發(fā)工具，掌握語言型開發(fā)工具的應(yīng)用和支撐環(huán)境。

　

1、骨架型開發(fā)工具

　　專家系統(tǒng)一般都有推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)兩部分，而規(guī)則集存于知識(shí)庫(kù)內(nèi)。在一個(gè)理想的專家系統(tǒng)中，推理機(jī)完全獨(dú)立于求解問題領(lǐng)域。系統(tǒng)功能上的完善或改變，只依賴于規(guī)則集的完善和改變。由此，借用以前開發(fā)好的專家系統(tǒng)，將描述領(lǐng)域知識(shí)的規(guī)則從原系統(tǒng)中“挖掉”，只保留其獨(dú)立于問題領(lǐng)域知識(shí)的推理機(jī)部分，這樣形成的工具稱為骨架型工具。這類工具因其控制策略是預(yù)先給定的，使用起來很方便，用戶只須將具體領(lǐng)域的知識(shí)明確地表示成為一些規(guī)則就可以了。

　　因其程序的主要骨架是固定的，除了規(guī)則以外，用戶不可改變?nèi)魏螙|西，因而骨架型工具存在一些有待解決的問題，影響它的廣泛應(yīng)用。

2、語言型開發(fā)工具

　　語言型工具提供給用戶的是建立專家系統(tǒng)所需要的基本機(jī)制，其控制策略也不固定于一種或幾種形式，用戶可以通過一定手段來影響其控制策略。因此，語言型工具的結(jié)構(gòu)變化范圍廣泛，表示靈活，所適應(yīng)的范圍要比骨架型工具廣泛得多。

3、構(gòu)造輔助工具

　　系統(tǒng)構(gòu)造輔助工具由一些程序模塊組成，有些程序能幫助獲得和表達(dá)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)，有些程序能幫助設(shè)計(jì)正在構(gòu)造的專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它主要分兩類，一種是設(shè)計(jì)輔助工具，另一種是知識(shí)獲取輔助工具。

4、支撐環(huán)境

　　支撐設(shè)施是指幫助進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的工具，它常被作為知識(shí)工程語言的一部分。工具支撐環(huán)境僅是一個(gè)附帶的軟件包，以便使用戶界面更友好。它包括四個(gè)典型組件：調(diào)試輔助工具、輸入輸出設(shè)施、解釋設(shè)施和知識(shí)庫(kù)編輯器。

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6.8 小 結(jié)

　　本章在產(chǎn)生式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，首先研究了專家系統(tǒng)的基本問題，包括專家系統(tǒng)的定義、類型、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和建造步驟等。接著討論了基于不同技術(shù)建立的專家系統(tǒng)，即第二節(jié)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、第三節(jié)基于框架的專家系統(tǒng)和第四節(jié)基于模型的專家系統(tǒng)。從這些系統(tǒng)的工作原理和模型可以看出，人工智能的各種技術(shù)和方法在專家系統(tǒng)中得到很好的結(jié)合和應(yīng)用，為人工智能的發(fā)展提供很好的范例。

　　計(jì)算機(jī)科學(xué)的一些新思想和新技術(shù)也對(duì)專家系統(tǒng)的發(fā)展起了重要作用。本章第五章歸納的新型專家系統(tǒng)，就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)中分布式處理和協(xié)同工作機(jī)制的結(jié)果，它們分別是分布式專家系統(tǒng)和協(xié)同式專家系統(tǒng)。

　　本章第六節(jié)介紹了專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以一個(gè)基于規(guī)則的維修咨詢系統(tǒng)為例，說明了專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，并采用EXPERT開發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。這將對(duì)專家系統(tǒng)有更具體和深入的了解。

　　為了提高專家系統(tǒng)的開發(fā)效率、質(zhì)量和自動(dòng)化水平，需要專家系統(tǒng)的開發(fā)工具。本章第七節(jié)簡(jiǎn)介了4種主要開發(fā)工具，即骨架型工具、語言型工具、構(gòu)造輔助工具和支撐環(huán)境。

　　專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用研究的一個(gè)最早最有成效領(lǐng)域。人們期待它有新的發(fā)展和新的突破。

　

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的人工智能：第六章 专家系统的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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