第七章专家系统PPT讲稿.ppt

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1、第七章专家系统第1页，共38页，编辑于2022年，星期一7.1 专家系统的定义和分类n专家系统是人工智能的一个重要分支，也是目前人工智能中一个最活跃且最有成效的研究领域n1968年，第一个专家系统DENDRALn专家系统的应用领域q数学、物理、化学、医学、地质、气象、农业、法律、教育、交通运输、机械、艺术以及计算机科学本身q渗透到政治、经济、军事等重大决策部门q产生了巨大的社会效益和经济效益，同时也促进了人工智能基本理论和基本技术的发展第2页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的定义与特点n费根鲍姆 q“专家系统是一种智能的计算机程序，它运用知识和推理步骤来解决只有专家才能解决的复杂问

2、题”n专家系统是基于知识的系统，用于在某种特定的领域中运用领域专家多年积累的经验和专门知识，求解需要专家才能解决的困难问题 q保存和大面积推广各种专家的宝贵知识 q博采众长 q比人类专家更可靠，更灵活 第3页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的产生和发展n第一阶段第一阶段（60年代末70年代初）q第第一一个个里里程程碑碑：斯斯坦坦福福大大学学费费根根鲍鲍姆姆等等人人于于19681968年年研研制制成成功功的的DENDRALDENDRAL分析化合物分子分析化合物分子结结构的构的专专家系家系统统分析分析n利用质谱和核磁共振等化学实验数据推断出未知化合物的可能分子结构 qMYCSYMAMY

3、CSYMA系系统统是是由由麻麻省省理理工工学学院院（MITMIT）于于19711971年年开开发发成成功功并并投投入入应应用用的的专专家系家系统统，它能，它能够够求解各种数学求解各种数学问题问题 q特点特点n高度的高度的专业专业化，化，专门问题专门问题求解能力求解能力强强n结结构、功能不完整，移植性差，缺乏解构、功能不完整，移植性差，缺乏解释释功能功能第4页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的产生和发展n第二阶段第二阶段（70年代中80年代初）qMYCINMYCIN是是由由美美国国斯斯坦坦福福大大学学研研制制的的用用于于细细菌菌感感染染性性疾疾病病的的诊诊断断和和治治疗疗的的专专家系

4、家系统统n提出知识库概念；引入可信度方法；推理解释；英语交互qPROSPECTORPROSPECTOR是由美国是由美国斯坦福研究所斯坦福研究所开开发发的一个探的一个探矿专矿专家系家系统统n首次实地分析华盛顿州某山区一带的地质资料，发现了一个钼矿床n第一个有明显经济效益的ESqCASNETCASNET是是一一个个几几乎乎与与MYCINMYCIN同同时时开开发发的的专专家家系系统统，由由拉拉特特格格尔尔（RutgerRutger）大学）大学开开发发，用于青光眼，用于青光眼诊诊断与治断与治疗疗 qAMAM系系统统是由是由斯坦福大学斯坦福大学于于19811981年年研制成功的研制成功的专专家系家系统统

5、n模拟人类进行概括、抽象和归纳推理，发现某些数论的概念和定理第5页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的产生和发展第二阶段特点：(1)单学科专业型专家系统；(2)系统结构完整，功能较全面，移植性好；(3)具有推理解释功能，透明性好；(4)采用启发推理、不精确推理；(5)用产生式规则、框架、语义网络表达知识；(6)用限定性英语进行人机交互第6页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的产生和发展n第三阶段（第三阶段（8080年代以来）年代以来）qDECDEC公公司司与与卡卡内内基基-梅梅隆隆大大学学合合作作开开发发了了专专家家系系统统XCONXCONn为VAX计算机系统制订硬件配置方

6、案，节约资金近1亿美元q专专家家系系统统开开发发工工具具的的出出现现，它它在在许许多多领领域域简简化化了了专专家系家系统统的构造的构造n如如骨骨架架系系统统EMYCINEMYCIN、KASKAS、EXPERTEXPERT，通通用用知知识识工工程程语语言言OPS5OPS5、RLLRLL，模，模块块式式专专家系家系统统工具工具AGEAGE等等第7页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的特点n具有专家水平的专门知识n能进行有效的推理n具有启发性n能根据不确定（不精确）的知识进行推理n具有灵活性n具有透明性n具有交互性第8页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统与传统程序的区别传统程序依

7、据某一确定的算法和数据结构来求解某一确定的问题，专家系统是依据知识和推理来求解问题最最最最大大大大区区区区别别别别传统程序=数据结构+算法 专家系统=知识+推理 传统程序把关于问题求解的知识隐含于程序中，而专家系统则将知识与运用知识的过程即推理机分离分离分离分离（使专家系统具有更大的灵活性，使系统易于修改）第9页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统与传统程序的区别从处理对象看，传统程序主要是面向数值计算和数据处理，而专家系统则面向符号处理面向符号处理q传统程序处理的数据多是精确的，对数据的检索是基于模式的布尔匹配，而专家系统处理的数据和知识大多是不不不不精精精精确确确确的的的的、模模模

8、模糊糊糊糊的的的的，知识的模式匹配也多是不精确的不精确的不精确的不精确的传统程序一般不具有解释功能，而专家系统一般具有解解释释机构机构，可解释自己的行为第10页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统与传统程序的区别传统程序根据算法求解问题，每次都能产生正确答案，专家系统像人类专家那样工作，通通常常产产生生正正确确的的答答案案，但但有有时时也也会会产产生生错错误误的答案的答案q专家系统存在的问题之一q专家系统有能力从错误中吸取教训，改进对某一工作的问题求解能力从系统的体系结构来看，传统程序与专家系统具有不同的结结构构 第11页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的类型n按功能q管理

9、专家系统（元系统）n完成复杂问题总体决策、管理协调子系统的功能q领域专家系统（）n从推理方向的角度可分q正向推理专家系统q反向推理专家系统q混合推理专家系统n从知识表达方法的角度q基于逻辑的专家系统q基于产生式规则的专家系统q基于语义网络的专家系统 第12页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的类型 专家系统种类专家系统种类专家系统种类专家系统种类解解解解 决决决决 的的的的 问问问问 题题题题 解 释根据感知数据推理情况描述 诊 断根据观察结果推断系统是否有故障 预 测推导给定情况可能产生的后果 设 计根据给定要求进行相应的设计 规 划设计动作 控 制控制整个系统的行为 监 督比较观

10、察结果和期望结果 修 理执行计划来实现规定的补救措施 教 学诊断、调整、修改学生行为 调 试建议故障的补救措施第13页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的类型n解释型专家系统q能根据感知数据，经过分析、推理，从而给出相应解释q代表性：DENDRAL（化学结构说明）、PROSPECTOR（地质解释）等n诊断型专家系统q能根据取得的现象、数据或事实推断出系统是否有故障，并能找出产生故障的原因,给出排除故障的方案q代表性：PUFF（肺功能诊断系统）、PIP（肾脏病诊断系统）、DART（计算机硬件故障诊断系统）等n预测型专家系统q能根据过去和现在信息（数据和经验）来推断可能发生和出现的情况q

11、天气预报、市场预测、人口预测等第14页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的类型n设计型专家系统q能根据给定要求进行相应的设计n工程设计、电路设计、服装设计）q代表性：XCON（计算机系统配置系统）、KBVLSI（VLSI电路设计专家系统）等 n规划型专家系统q能按给定目标拟定总体规划、行动计划、运筹优化等n机器人动作控制、军事规划、城市规划等q代表性：NOAH（机器人规划系统）、SECS（帮助化学家制定有机合成规划的专家系统）、TATR（帮助空军制订攻击敌方机场计划的专家系统）等n控制型专家系统q能根据具体情况，控制整个系统的行为q代表性：YES/MVS（帮助监控和控制MVS操作系统

12、）第15页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的类型n监督型专家系统q能完成实时的监测任务，并根据监测到的现象作出相应的分析和处理 q代表性：REACTOR（帮助操作人员检测和处理核反应堆事故）n修理型专家系统q能根据故障的特点制订纠错方案，并能实施该方案排除故障，当制订的方案失效或部分失效时，能及时采取相应的补救措施n教学型专家系统q能根据学生学习过程中所产生的问题进行分析、评价、找出错误原因，有针对性地确定教学内容或采取其它有效的教学手段 q代表性：GUIDON（讲授有关细菌感染性疾病方面的医学知识）n调试型专家系统q能根据相应的标准检测被测试对象存在的错误，并能从多种纠错方案中选

13、出适用于当前情况的最佳方案，排除错误第16页，共38页，编辑于2022年，星期一7.2 专家系统的结构和工作原理专家系统的一般结构专家系统的一般结构 人机接口、推理机、知人机接口、推理机、知识库识库、动态动态数据数据库库、知、知识获识获取机构、解取机构、解释释机构机构人人 机机 接接 口口解释机构解释机构知识获取机构知识获取机构知识库知识库推理机推理机数据库数据库用户用户领域专家领域专家知识工程师知识工程师专专家家系系统统核核心心第17页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的一般结构n知识库知识库 主要用来存放主要用来存放领领域域专专家提供的家提供的专门专门知知识识 (1)(1)知知识

14、识表达方法的表达方法的选择选择（最多的三种表示方法是产生式规则、框架和语义网络）充分表示领域知识 能充分、有效地进行推理 便于对知识的组织、维护与管理 便于理解与实现(2)(2)知知识库识库管理系管理系统统 对对知知识库识库中的知中的知识组织识组织、检检索和索和维护维护第18页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的一般结构n推理机推理机q模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解q推理机包括推理方法和控制策略两部分n推理方法有精确推理和不精确推理n控制策略主要指推理方向控制及推理规则选择策略n推理有正向推理、反向推理和正反向混合推理n推理策略一般还与搜索策略有关（已在推理章节介绍）

15、n n知识获取机构知识获取机构知识获取机构知识获取机构 q“瓶颈”，是建造和设计专家系统的关键 q基本任务是为专家系统获取知识，建立起健全、完善、有效的知识库，以满足求解领域问题的需要 q要对知识进行一致性、完整性检测第19页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的一般结构n n人机接口人机接口人机接口人机接口 q专家系统与领域专家、知识工程师、一般用户间进行交互的界面q由一组程序及相应的硬件组成，用于完成输入输出工作 q更新、完善、扩充知识库；推理过程中人机交互；结束时显示结果n n数据库数据库数据库数据库q又称“黑板”、“综合数据库”或“动态数据库”q用于存放用户提供的初始事实、问题

16、描述及系统运行过程中得到的中间结果、最终结果等信息 q是推理机不可缺少的工作场地，同时由于它可记录推理过程中的各种有关信息，又为解释机构提供了回答用户咨询的依据n n解释机构解释机构解释机构解释机构 q回答用户提出的问题，解释系统的推理过程，使系统对用户透明 第20页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的工作原理n根据知识库中的知识和用户提供的事实进行推理，不断地由已知的前提推出未知的结论即中间结果，并将中间结果放到数据库中，作为已知的新事实进行推理，从而把求解的问题由求知状态转换为已知状态n在专家系统的运行过程中，会不断地通过人机接口与用户进行交互，向用户提问，并向用户作出解释 第2

17、1页，共38页，编辑于2022年，星期一7.3 知识获取n知识获取的任务q为专家系统获取知识，建立起健全、完善、有效的知识库，以满足求解领域问题需要(1)抽取知识识别、理解、筛选、归纳等，及自学习 (2)知识的转换q第一步：从专家及文献资料处抽取的知识转换为某种知识表示模式，如产生式规则、框架等（知识工程师完成）q第二步：该模式表示的知识转换为系统可直接利用的内部形式(3)知识的输入 知识编辑器(4)知识的检测 不一致、不完整等 第22页，共38页，编辑于2022年，星期一7.3 知识获取n n知识获取的模式知识获取的模式 q非自动知识获取(人工移植)知识工程师 知识编辑器 q自动知识获取n系

18、统具有获取知识的能力n系统具有识别语音、文字、图像的能力 n系统具有理解、分析、归纳的能力 n系统具有从运行实践中学习的能力q半自动知识获取 第23页，共38页，编辑于2022年，星期一7.4 专家系统的建立n可行性分析q威特曼（Watermam）从三方面研究如何选择适合专家系统开发的问题(1)什么情况下开发专家系统是可能的?问题的求解主要依靠经验性知识，而不需要大量运用常识性知识存在真正的领域专家，这也是开发专家系统最重要的要求之一 一般某领域中有多个专家，他们应该对领域答案的选择和精确度有基本一致的看法 任务易，有明确的开发目标，且任务能被很好地理解第24页，共38页，编辑于2022年，星

19、期一7.4 专家系统的建立(2)什么情况下开发专家系统是合理的？（之一！）问题的求解能带来较高的经济效益 人类专家奇缺，但又十分需要，且十分昂贵 人类专家经验不断丢失 危险场合需要专门知识(3)什么情况下开发专家系统是合适的？（特征！）本质问题本质上必须能很自然地通过符号操作和符号结构来进行求解，且问题求解时需要使用启发式知识，需要使用经验规则才能得到答案 复杂性问题不是太容易且较为重要 范围问题需要有适当的范围第25页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的设计原则与开发步骤n专家系统的设计原则q专门任务领域大小 q专家合作反复磋商，团结协作 q原型设计从“最小系统”到“扩充式”开发

20、q用户参与充实、完善知识库 q辅助工具提高设计效率 q知识库与推理机分离体现特征，灵活第26页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的设计原则与开发步骤专家系统的开发步骤 知识工程比软件工程更强调渐进性、扩充性重新完善问题识别概念化形式化实现测试重新描述重新设计需求概念结构规则第27页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的开发步骤 n问题识别阶段q知识工程师和专家确定问题的重要特点，抓住问题各主要方面的特征n概念化阶段q主要任务是揭示描述问题所需的关键概念、关系和控制机制，子任务、策略和有关问题求解的约束n形式化阶段q把概念化阶段概括出来的关键概念、子问题和信息流特征形式化地表示

21、出来n实现阶段 q把形式化知识变成计算机的软体，即要实现知识库、推理机、人机接口和解释系统n测试阶段 q通过运行实例评价原型系统以及用于实现它的表达形式，从而发现知识库和推理机制的缺陷第28页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统的评价n正确性q系统设计的正确性 q系统测试的正确性 q系统运行的正确性n有用性 q推理结论、求解结果、咨询建议的有用性q系统的知识水平、可用范围、易扩充性、易更新性等q问题的求解能力（解题速度、推理效率），可能场合和环境q人机交互的友好性q运行可靠性、易维护性、可移植性q系统的经济性第29页，共38页，编辑于2022年，星期一7.5 专家系统实例n动物/植物识

22、别专家系统（前述例完善）n医学专家系统MYCINp美国斯坦福大学，细菌感染性疾病的诊断和治疗（诊断结果及处方）pINTERLISP语言，知识库含200多条关于细菌血症的规则，可以识别约50种细菌p整个系统占245KB，其中INTERLISP系统占160KB，编译后的MYCIN系统占50KB，知识库8KB，其余27KB存放临床参数和作为工作空间p咨询解释功能 地质勘探专家系统PROSPECTORp美国斯坦福人工智能研究中心(SRI),1976年pLISP语言p似然规则的网络模型第30页，共38页，编辑于2022年，星期一7.6 专家系统的开发工具n四种主要的类型：q用于开发专家系统的程序设计语言

23、q骨架系统q通用型知识表达语言q专家系统开发环境第31页，共38页，编辑于2022年，星期一程序设计语言n面向面向问题问题的的语语言言q为为某某些些特特定定的的问问题题类类型型设设计计的的（如FORTRAN、PASCAL、C等）n符号符号处处理理语语言（面向言（面向AIAI的的语语言）言）q专专为为人人工工智智能能应应用用而而设设计计的的（最常用LISP语言，PROLOG语言(第6章)）第32页，共38页，编辑于2022年，星期一骨架系统n骨架系统q由已有的成功的专家系统演化而来的q抽出了原系统中具体的领域知识，而保留了原系统的体系结构和功能，再把领域专用的界面改为通用界面n常用的骨架系统qE

24、MYCINqKASqEXPERT第33页，共38页，编辑于2022年，星期一骨架系统nEMYCINq由MYCIN系统抽去原有的医学领域知识，保留骨架而形成的系统q具有MYCIN的全部功能qEMYCIN开发的专家系统CLOTEMYCINEMYCIN帮助决定解决结构分析问题的策略通过解释呼吸测试数据来诊断肺病分析并确定病人血液凝固机制中有无问题SACON通过解释油井钻探数据来鉴定地下岩层预测麦田是否将受黑鳞翅目幼虫之害LIGHOPIANT/CDP第34页，共38页，编辑于2022年，星期一骨架系统nKASq由PROSPECTOR系统抽去原有的地质勘探知识而形成nEXPERTEXPERTq美国Rut

25、gers大学的Weiss和Kulikowski等人在已开发成功的专家系统及工具如CASNET（青光眼诊断系统）等的基础上于1981年设计完成的一个骨架系统q适合于开发诊断和分类型专家系统KASKASCONPHYDEAIRID用于帮助化学工程师选择化工生产中的物理参数用于根据飞行物的特征和当时的环境条件来识别飞机型号第35页，共38页，编辑于2022年，星期一通用型知识表达语言nOPS5OPS5q美卡内基-梅隆大学开发的一种通用知识表达语言q产生式规则库、推理机及数据库三部分组成XCONIDTYES/MVSAIRPLANMUDOPS5OPS5帮 助 配 置 VAX-11/780计算机帮助确定PD

26、P11/03计算机中出故障部件的位置帮助监控和控制MVS操作系统帮助空军指挥员在航空母舰上指挥飞机起落在钻井操作中帮助诊断和处理同钻探泥桨有关的问题第36页，共38页，编辑于2022年，星期一专家系统开发环境n nAGEAGEAGEAGEq斯坦福大学研制的一个专家系统开发环境q是典型的模块组合式开发工具，为用户提供了一个通用的专家系统结构框架，并将该框架分解为许多在功能和结构上较为独立的的组件部件，这些组件已预先编制成标准模块存在系统中qAGE采用了黑板模型来构造专家系统结构框架q可通过两条途径构造自己的专家系统：用户使用AGE现有的各种组件作为构造材料，很方便地来组合设计自己所需的系统 用户通过AGE的工具界面，定义和设计各种所需的组成部件，以构造自己的专家系统第37页，共38页，编辑于2022年，星期一 END第38页，共38页，编辑于2022年，星期一