知识工程与知识发现(讲稿22专家系统).docx
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1、知识工程与知识发现(讲稿22专家系统) 第三章 专家系统(Expert System:ES) 专家系统是人工智能应用探讨的一个重要领域。在20世纪60年头中期,正值大多数人热衷于博弈、定理证明、问题求解等探讨时,另一个重要的探讨领域-专家系统已悄然起先孕育。(由美国斯坦福高校的费根鲍姆E.A.Feigenbaum,1965年在他领导的探讨小组内探讨化学专家系统DENDRAL,68年完成并投入运用)。也正是专家系统的萌芽,才使得人工智能在后来出现的困难和挫折中很快找到了前进方向,开创了一条以学问为中心、面对应用开发的探讨道路,使人工智能又进入了一个新的蓬勃发展时期。 专家系统实现了人工智能从理论
2、探讨走向实际应用,从一般思维规律探讨走向特地学问运用的重大突破,是人工智能发展史上的一次重要转折。 专家系统是一个具有大量特地学问,并能够利用这些学问去解决特定领域中须要由专家才能解决的那些问题的计算机程序。 自Feigenbaum后,相继出现了MYCIN专家系统、地质勘探专家系统PROSPECTOR,数学专家系统MACSYMA等。 学问工程的核心是专家系统,学问工程的发展首先确定于专家系统的发展,专家系统的发展必将推动人工智能的应用。 专家系统的开发有三个基本的要素:领域专家、学问工程师、大量实例。在建立专家系统时,首先由学问工程师把领域专家的特地学问总结出来,以适当的形式存入计算机,建立起
3、学问库(KB),依据这些特地学问,系统可以进行推理,做出推断和决策,能够解决一些只有人类专家才能解决的困难问题。专家系统主要是指软件系统。 教学目的: l 了解专家系统的基本概念 l 驾驭专家系统的基本结构 l 驾驭专家系统的学问获得方法和过程 l 了解专家系统的开发步骤、开发工具 1 3.1 专家系统的基本概念 3.1.1 什么是专家系统? 目前,对专家系统还没有一个严格公认的形式化定义。作为一种一般的说明,可以认为: 专家系统是一种具有大量特地学问与阅历的智能程序系统,它能运用领域专家多年积累的阅历和特地学问,模拟领域专家的思维过程,解决该领域中须要专家才能解决的困难问题。 从上述说明可以
4、看出,专家系统包含三个方面的内容: (1) 专家系统是一种程序系统,但又具有智能,因此它不同于一般的程序系统,而是一种能运用专家学问和阅历进行推理的启发式程序系统; (2) (3) 专家系统的智能来源于领域专家的学问、阅历及解决问题的诀窍; 专家系统所要解决的问题,一般是那些原来应当由领域专家才能解决的问题。 3.1.2 专家系统的分类 专家系统都是针对某一应用领域而建立的。不同应用领域的专家系统,其功能、设计方法及实现技术也各不同。 对专家系统的类型,可以有多种不同的划分方法。 1.按求解问题的性质分类 海叶斯-罗斯(F.Heyes-Rose)根据求解问题的性质,将专家系统分为以下10种类型
5、: (1)说明型专家系统 说明型专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析与说明,确定它们的含义。其主要特点有: l 系统处理的数据量很大,而且往往是不精确的、错误的或不完全的; l 系统能够从不完全的信息中得出说明,并能对数据做出某种假设; l 系统的推理过程可能很困难和很长,因而要求系统具有对自身推理过程做出说明的实力。 如,卫星图像分析、集成电路分析、石油测井数据分析、染色体分类等。 2 (2)预料型专家系统 预料型专家系统的任务是通过对过去或现在学问状况的分析,推断将来可能发生的状况。其主要特点有: l 系统处理的数据随时间改变,而且可能是不正确或不完备的; l 系统需有适应时间改变的
6、动态模型,能够从不完全和不精确的信息中得出预报,并达到快速响应的要求; 预料型专家系统的例子,主要有气象预报、军事预料、人口预料、经济预料和作物产量预料等。 (3)诊断型专家系统 诊断型专家系统的任务是依据视察到的状况来推断出某个对象机能失常的缘由。其主要特点: l 能够了解被诊断对象和客体各组成部分的特性,以及它们之间的联系; l 能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象; l 能够向用户提出测量的数据,并从不准确信息中得出尽可能正确的诊断。 诊断型专家系统的例子特殊多,有医疗诊断、电子或机械故障诊断以及材料失效诊断等。如,MYCIN、CASNET。 (4)设计型专家系统 设计型专家系统的任务
7、是依据设计要求,求出满意设计问题约束的目标配置。其主要特点有: l 擅长从多方面的约束中得到符合要求的设计结果; l 系统须要检索较大的可能解空间; l 擅长分析各种子问题,并处理好子问题间的相互作用; l 能够试验性地构造出可能设计,并易于对所得设计方案进行修改; l 能够运用已被证明是正确的设计来说明当前的设计。 设计型专家系统的例子主要有:电路设计、土木建筑工程设计、机械产品设计、生产工艺设计等。 (5)规划型专家系统 3 规划型专家系统的任务是要找寻出某个能够达到目标的动作序列或步骤。其主要特点有: l 所要规划的目标可能是动态的或静止的; l 所涉及的问题可能很困难,要求系统能抓住重
8、点,处理好各子目标间的关系和不确定的信息,并通过试验性动作得出可行的规划; 规划型专家系统可用于:机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案规划等。 (6)监视型专家系统 监视型专家系统的任务在于对系统、对象或过程的行为进行不断视察,并把视察到的行为与其应当具有的行为进行比较,以发觉异样状况,发出警报。其主要特点有: l 系统应具有快速反应实力,在造成事故之前刚好报警; l 系统发出的警报要有很高的精确度; l 系统能够随时间和条件的改变而动态地处理其输入信息。 如,核电站的平安监视、防空监视与报警、国家财政的监控及农作物病虫害的监视与报警等。 (7)限制型专家系
9、统 限制型专家系统的任务是自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为,使其满意预期要求。其主要特点有: l 能够说明当前状况,预料将来可能发生的状况; l 能够诊断可能发生的问题及其缘由,不断修正安排,并限制安排的执行。 如,交通管制、商业管理、自主机器人限制、作战管理、生产过程限制和生产质量限制等很多方面。 (8)调试型专家系统 调试型专家系统的任务是对失灵的对象给出处理看法和方法。它要求专家系统须具有规划、设计、预报和诊断等功能。 如,新产品或新系统的调试、修理设备的调整、测试与试验。 (9)教学型专家系统 4 任务:是依据学生的特点、弱点和基础学问,以最适当的教学方案和教学方法对学生进行教
10、学和辅导。其主要特点有: l 同时具有诊断和调试功能; l 具有良好的人机界面。 (10)修理型专家系统 任务:是对发生故障的对象(系统或设备)进行处理,使其复原正常工作。主要特点同时肯有诊断、调试、安排和执行等功能。 此外,还有:决策型专家系统、管理型专家系统等。 2.按求解问题的要求分类 斯特菲克(M.Stefike)等人依据专家系统求解问题的要求及其难易程度由低到高将专家系统分为10个不同的层次。 (1)具有牢靠学问和数据的小型搜寻空间的专家系统 P263 这类专家系统要求解的问题最简洁,它所具有的学问和数据都非常牢靠,且问题的解空间也比较小。像这类简洁任务的专家系统,只需经过穷举搜寻方
11、式即可得到问题的解。事实上,对这类问题,也没有研制专家系统的必要。 (2)所用学问和数据不完全牢靠的专家系统 启发性学问推理或不确定性推理 (3)所求解问题的推理须要随时间改变的专家系统 这类专家系统所依据的数据是随时间改变的,因此它应当能够描述和模拟各 种数据随时间改变的状况。事实上,对预料性、实时性要求高的专家系统,对时变推理的要求就更高。目前研制这类专家系统的难度较大。 (4)所求解的问题是可分解的专家系统 这类任务的专家系统,可以把解空间划分成一些较小的子空间,并采纳剪枝的方法,以削减搜寻范围和搜寻空间。 (5)所求解的问题是不行分解的专家系统 这类任务的专家系统不能采纳分解和剪枝的方
12、法,而只能采纳抽象空间的方法,即先短暂忽视某些细微环节问题,而集中考虑那些重要的原 5 则性问题的求解方法。 (6)所求解的问题不能划分为固定子问题的专家系统 由于所求解的问题不存在固定的子问题划分或可进行适当抽象的固定子问题序列,因此对这类问题的抽象必需体现规划的可变结构,这就须要专家系统能够采纳自顶向下求解的抽象方法来进行问题求解。 (7)各子问题有相互影响的专家系统 由于自顶向下求解方法缺乏问题求解的反馈信息,当各子问题间相互影响时,该方法不能很好地解决这类问题。对此,可采纳最小冒险原则,即决策不应在不成熟的状况下随意做出,而应推迟到有足够的信息时再做出。 (8)须要多重推理的专家系统
13、在很多任务中,单一推理路径的实力较弱,须要采纳多重线路推理,综合运用不同推理模型的优点,来扩大专家系统解决问题的实力。 (9)利用多学问源的专家系统 在求解困难问题时,采纳多种学问来源对问题进行综合分析,可取得明显效果。如,在语音理解专家系统中,往往须要多种学问来源,这些学问通常被放在一个称为黑板的工作区中。 (10)运用统一学问表示方法的专家系统 为便于对系统中的学问进行统一管理、运用和说明,目前专家系统的发展是采纳多种学问表示的统一学问表示方法,对日趋浩大的学问库进行有效的管理和组织。在这方面,用面对对象方法统一学问表示已被多数专家系统及其开发工具所采纳,并取得了良好的效果。 3.按系统的
14、体系结构分类 按系统的体系结构,专家系统可分为4种类型。 (1) 集中式专家系统 这是一种对学问和推理进行集中管理的一类专家系统。目前,得到胜利应用的专家系统多属于这一类型。对这类专家系统,又可根据学问及推理机构的组织方式,细分为层次式结构、深-浅双层结构、多层 6 聚焦结构和黑板结构等。 层次结构:是指具有多层推理机制,逐层进行推理的专家系统。如,青光眼诊断专家系统,其推理模型可分为症状层、病变层及诊断层。 深-浅双层结构:是指系统分别具有深层学问(问题领域内的原理性学问)库和浅层学问(领域专家的阅历学问)库,并且相应地有两个推理机分别作用于两个不同学问库的专家系统。 多层聚焦结构:是指学问
15、库中的学问是按动态分层组织的专家系统。它把对当前推理最有用、最有希望推出结论的学问称为“焦点”,并把它置于聚焦结构的最上层,把有希望入选的学问放在其次层,以此类推。 黑板结构:是指那种有多个学问库和多个推理机,并通过一个结构化的公共数据区(称为黑板)来交换信息的专家系统。这种专家系统通常用在那些求解问题较困难的系统中。 (2) 分布式专家系统 分布式专家系统是指具有分布处理实力以及多专家系统、多学问元的协同处理实力的专家系统。分布式专家系统的主要特点有:第一,系统中的数据、学问及限制不但在逻辑上,而且在物理上都是分布的;其次,系统中的诸机构通过计算机网络实现互连,这些机构之间相互协作,可以求解
16、单个机构难以解决,甚至不能解决的问题。目前,基于多Agent的探讨是分布式专家系统探讨的重点。 (3) 神经网络专家系统 这是运行人工神经网络技术建立的专家系统,目前尚处于探讨阶段。 (4) 符号系统与神经网络相结合的专家系统 这是把基于连接主义的神经网络与基于符号处理的专家系统有机结合形成的一种混合型专家系统。这种专家系统可以充分发挥神经网络与符号系统的优点,克服它们的缺点,实现优势互补。至于神经网络与符号系统的结合,可以有多种方式。 如,为充分发挥神经网络学习实力强的优势,可把它用于学问的自动获得,而推理仍用符号机制。 7 3.1.3 专家系统的特点 专家系统的共同特点: (1) 可具有一
17、个或多个专家的学问和阅历,能以接近于人类专家的水平在特定领域工作; (2) 能高效、精确、快速地工作,不会像人类专家那样产生疲乏和不稳定; (3) 使人类专家的领域学问突破了时间和空间的限制,专家系统程序可永久保存,并可复制随意多的副本或在网上供不同地区或不同部分的人们运用; (4) (5) (6) (7) (8) 能进行有效推理,包括各种精确性推和非精确推理等; 具有透亮性,能以可理解的方式说明推理过程; 具有自学习实力,可总结规律,不断扩充和完善系统自身; 能提高生产率,产生巨大的社会效益、经济效益等; 对推动人工智能等其他学科的发展具有重大作用。 总之,专家系统无论在当前还是将来,都是专
18、家可以信任和利用的高水平智能助手,是计算机革命的得力工具。 3.2 专家系统的基本结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。不同应用领域和不同类型的专家系统,其体系结构和功能也都不尽相同。 通常一个最基本的专家系统应由:学问库、数据库、推理机、说明机构、学问获得机构和用户界面6个部分组成。 图1 专家系统的基本结构 8 其主要功能描述如下: (1)学问库(Knowledge Base) 学问库是指以某种存储结构存储领域专家的学问,包括事实和可行的操作与规则等。为了建立专家库,需对领域问题的专家学问,用相应的学问表示方法将其表示出来,然后再进行形式化,并经编码放入学问库中。
19、 所以,专家库的建立,首先要解决学问获得与学问表示的问题。学问获得是指学问工程师如何从领域专家那里获得将要纳入学问库的学问。学问表示要解决的问题是如何运用计算机能够理解的形式来表示和存储学问的问题。 通常,学问库中的学问分为两大类型:一类是领域中的事实,称为事实性学问,这是一种广泛公用的学问,也即写在书本上的学问及常识;另一类是启发性学问,它是领域专家在长期工作实践中积累起来的阅历总结。 (2)数据库 也称全局数据库或综合数据库。是用于存储与求解问题有关的初始数据(如,事实、数据、初始状态(证据)和推理过程中得到的中间数据。 如,在医疗专家系统中,数据库中存放的仅是当前患者的状况,如姓名、年龄
20、、症状等及推理过程中得到的一些中间结果、病情等; 在气象专家系统中,数据库中存放的是当前气象要素,如云量、温度、气压以及推理得到的中间结果等。 由此看出,专家系统数据库只是一个存储很少的用于暂存中间信息的工作存储器(也称内涵数据库),而不是通常概念上的用于存放大量信息的数据库(也称外延数据库)。 (3)推理机 推理机是一组用来限制、协调整个专家系统的程序。它依据全局数据库的当前内容,从学问库中选择可匹配的规则,并通过执行规则来修改数据库中的内容,再通过不断地推理导出问题的结论。推理机中包含如何从学问库中选择规则的策略和当有多个可用规则时如何消解规则冲突的策略。 (4)说明机构 用于向用户说明专
21、家系统的行为,包括说明“系统是怎样得出这一结论的”、“系统为什么要提出这样的问题来询问用户”等用户须要说明的问题。 9 (5)学问获得机构 学问获得是专家系统的一种协助功能,它可为修改学问库中的原有学问和扩充新学问供应相应手段。 学问获得机构的基本任务是把学问加入到学问库中,并负责维持学问的一样性及完整性,建立起性能良好的学问库。 通常,不同的专家系统,学问获得功能和实现方法差别较大。如, 有的系统首先由学问工程师向领域专家获得学问,然后通过相应的学问编辑软件把学问送到学问库中; 有的系统自身就具有部分学习功能,由系统干脆与领域专家对话获得学问; 有的系统具有较强的学习功能,可在系统运行过程中
22、通过归纳、总结,得出新的学问。 总之,不管采纳方式,学问获得都是目前专家系统探讨中的一个重要问题。 (6)用户界面 也称人机接口,主要用于系统和外界之间的通讯与信息交换。通常,专家系统的运用者,包括最终用户、领域专家、学问工程师。 在这三种人中,最终用户和领域专家一般都不是计算机专业人员,因此用户界面必需适应非计算机人员的需求,不仅应把系统的输出信息转换为便于用户理解的形式,而且还应运用户能便利地操纵系统运行。 一般来说,用户界面应尽可能拟人化,尽可能运用接近自然语言的计算机语言,并能理解声音、图像等多媒体信息。 3.3 专家系统的开发条件 在实际应用中,并非任何领域都适合开发专家系统。除了支
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