工智能及专家系统第8章专家系统的原理与设计课件.ppt

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1、敖志刚敖志刚 编制编制第第8章章 专家系统的原理与设专家系统的原理与设计计 敖志刚敖志刚 编制编制第第8章章 专家系统的原理与设专家系统的原理与设计计 第第8 8章章 专家系统的原理与设计专家系统的原理与设计 81 专家系统的基本知识811 何谓专家系统812 专家系统的特点813 专家系统的分类814 新一代专家系统815 专家系统的主要研究课题82 专家系统的设计821 开发专家系统的需求分析822 知识获取第第8 8章章 专家系统的原理与设计专家系统的原理与设计823 专家系统构造者间的关系824 专家系统的设计结构825 专家系统的开发阶段与过程826 专家系统的设计要素83 专家系统

2、的评价831 评价方法832 专家系统的技术评价833 专家系统的性能评价 8 81 1 专家系统的基本知识专家系统的基本知识 1.1.何谓专家何谓专家 是专门家，是具有解决某一专是专门家，是具有解决某一专门领域问题的行家里手，具有超凡的能门领域问题的行家里手，具有超凡的能力、素质和水平。这是因为专家逐步积力、素质和水平。这是因为专家逐步积累了丰富的专业知识和实践经验，具有累了丰富的专业知识和实践经验，具有独特的思维方式，独特的分析问题、解独特的思维方式，独特的分析问题、解决问题、避开失误的方法、策略和诀窍，决问题、避开失误的方法、策略和诀窍，能从许多不相关的信息中发现本质。能从许多不相关的信

3、息中发现本质。2.2.专家系统专家系统(Expert System(Expert System，ES)ES)亦称专家咨询系统，亦称专家咨询系统，它是一种具有大量专门知它是一种具有大量专门知识与经验的智能计算机系统，通常，主要指软识与经验的智能计算机系统，通常，主要指软件系统。它把专门领域中人类专家的知识和思件系统。它把专门领域中人类专家的知识和思考解决问题的方法、经验和诀窍组织整理且存考解决问题的方法、经验和诀窍组织整理且存储在计算机中，不但能模拟领域专家的思维过储在计算机中，不但能模拟领域专家的思维过程，而且能让计算机宛如人类专家那样智能地程，而且能让计算机宛如人类专家那样智能地解决实际问题

4、。解决实际问题。狭义地讲，狭义地讲，专家系统专家系统就是人类专家智慧的拷贝，就是人类专家智慧的拷贝，是人类专家的某种化身。是人类专家的某种化身。广义地讲，广义地讲，专家系统专家系统也泛指那些具有也泛指那些具有“专家级专家级”水平的知识系统，从总体上达到专家级水平。水平的知识系统，从总体上达到专家级水平。3.3.专家系统的特点专家系统的特点 专家系统与人类专家比较具有以下一些特点专家系统与人类专家比较具有以下一些特点:专家系统是人类专家智能的模拟、延伸和扩展。专家系统是人类专家智能的模拟、延伸和扩展。专家系统是专家可以信赖和利用的高水平智能助手和专家系统是专家可以信赖和利用的高水平智能助手和有效

5、工具。有效工具。专家系统可具有一个或多个专家的知识和经验，具有专家系统可具有一个或多个专家的知识和经验，具有专门知识的启发性，能以接近于人类专家的水平在特专门知识的启发性，能以接近于人类专家的水平在特定领域工作，注重特定问题的求解。定领域工作，注重特定问题的求解。专家系统能高效、准确、迅速地工作。专家系统能高效、准确、迅速地工作。专家系统突破了时间和空间的限制，程序可永久保存，专家系统突破了时间和空间的限制，程序可永久保存，并可复制。并可复制。专家系统能进行有效推理。专家系统能进行有效推理。具有透明性，能以可理解的方式解释推理过程。具有透明性，能以可理解的方式解释推理过程。具有自学习能力，总结

6、规律，扩充和完善系统自身。具有自学习能力，总结规律，扩充和完善系统自身。3.3.专家系统的特点专家系统的特点专家系统不同于一般的计算机软件系统，其特点在于专家系统不同于一般的计算机软件系统，其特点在于:从处理问题的性质看从处理问题的性质看，专家系统善于解决那些不确定性的、非，专家系统善于解决那些不确定性的、非结构化的、没有算法解或虽有算法解但在现有的机器上无法结构化的、没有算法解或虽有算法解但在现有的机器上无法实施的困难问题。实施的困难问题。从处理问题的方法看，从处理问题的方法看，专家系统则主要依靠知识表达技术，知专家系统则主要依靠知识表达技术，知识推理、知识收集和编码，知识存储和编排，建立知

7、识库及识推理、知识收集和编码，知识存储和编排，建立知识库及其管理系统，利用专家的知识和经验，求解专门问题，而不其管理系统，利用专家的知识和经验，求解专门问题，而不是数学描述的方法来解决问题。是数学描述的方法来解决问题。从系统的结构来看，从系统的结构来看，专家系统则强调知识与推理的分离。专家系统则强调知识与推理的分离。从知识的推理能力看从知识的推理能力看:专家系统的工作是在环境模式驱动下的专家系统的工作是在环境模式驱动下的知识推理过程；而不是在固定程序控制下的指令执行过程。知识推理过程；而不是在固定程序控制下的指令执行过程。从咨询解释能力看从咨询解释能力看:专家系统不仅对用户的提问给出解答，而专

8、家系统不仅对用户的提问给出解答，而且能对答案的推理过程作出解释，提供答案的可信度估计。且能对答案的推理过程作出解释，提供答案的可信度估计。专家系统能不断对自己的知识进行扩充、完善和提炼。专家系统能不断对自己的知识进行扩充、完善和提炼。这点是这点是传统程序所无法比拟的。传统程序所无法比拟的。4.4.人类专家知识和人工专门知识的比较人类专家知识和人工专门知识的比较 人类专家知识人类专家知识 人工专门知识人工专门知识优点优点 缺点缺点有创造性有创造性 不具创造性不具创造性有适应性有适应性 需要被告之需要被告之感觉的经验感觉的经验 符号输入符号输入视野广视野广 视野窄视野窄常识性知识常识性知识 技术性

9、知识技术性知识人类专家知识人类专家知识 人工专门知识人工专门知识 缺点缺点 优点优点经久经久 不经久不经久难于传播难于传播 易于传播易于传播难于文件化难于文件化 易于文件化易于文件化不易预期不易预期一致一致昂贵昂贵 便宜便宜4.4.知识的编程和传统的计算机编程的比较知识的编程和传统的计算机编程的比较 项目项目知识型编程知识型编程 传统编程传统编程内容内容知识的定义、表示和使用知识的定义、表示和使用 数据处理步骤的描述和使用数据处理步骤的描述和使用能力能力超过程序员理解水平超过程序员理解水平 与程序员理解水平相等与程序员理解水平相等表现表现与说明型为主与说明型为主 与过程型为主与过程型为主模型模

10、型思考模型思考模型 处理模型处理模型用途用途对大知识库处理、问题求解对大知识库处理、问题求解 对大数据库进行处理对大数据库进行处理手法手法符号处理符号处理 数值处理数值处理运算运算推理控制过程推理控制过程 重复计算过程重复计算过程理解理解容易容易 困难困难扩充扩充容易容易 困难困难解释解释容易做到在运行中解释容易做到在运行中解释 不容易做到在运行中解释不容易做到在运行中解释处理处理高度的集成处理高度的集成处理 顺序的批处理顺序的批处理规则规则启发式启发式 算法式算法式5.5.第一代专家系统第一代专家系统第一代专家系统的典型例子有第一代专家系统的典型例子有化学专家系统化学专家系统DENDRALD

11、ENDRAL，数学专家系统，数学专家系统MACSYMAMACSYMA等。等。DENDRALDENDRAL系统系统从从19651965年开始研制，于年开始研制，于19681968年基本完成，年基本完成，它能够进行质谱数据分析，推断化学分子结构，达到它能够进行质谱数据分析，推断化学分子结构，达到了化学专家的水平。了化学专家的水平。DENDRALDENDRAL系统的问世标志着专家系统的问世标志着专家系统的诞生。系统的诞生。MACSYMAMACSYMA系统系统从从19651965年开始研制，于年开始研制，于19711971年投入应用。年投入应用。它能够求解多种数学问题，包括：微积分运算、微分它能够求解

12、多种数学问题，包括：微积分运算、微分方程求解、级数展开、矩阵运算等等。是一种方程求解、级数展开、矩阵运算等等。是一种“人人-机机”交互式系统。交互式系统。第一代专家系统具有以下特点第一代专家系统具有以下特点:高度专业化，结构、功能不完整，移植性差；高度专业化，结构、功能不完整，移植性差；专门问题求解能力强，但缺乏推理解释动能。专门问题求解能力强，但缺乏推理解释动能。6.6.第二代专家系统。第二代专家系统。第二代专家系统的典型例子有第二代专家系统的典型例子有:医疗诊断专家系统医疗诊断专家系统MYCINMYCIN，地质探矿专家系统，地质探矿专家系统PROSPECTORPROSPECTOR、数学发现

13、专家、数学发现专家系统系统AMAM等。等。MYCINMYCIN系统系统从从19711971年开始，于年开始，于19741974年基本完成。它是第年基本完成。它是第一个结构较完整、功能较全面的专家系统。该系统第一个结构较完整、功能较全面的专家系统。该系统第一次明确采用了一次明确采用了“知识库知识库”的概念，引入了的概念，引入了“可信度可信度”方法，进行非精确推理，能够给出推理过程的解释方法，进行非精确推理，能够给出推理过程的解释和可信度估计，用英语与用户进行和可信度估计，用英语与用户进行“人人-机机”交互，在交互，在专家指导下修改知识库，学习医疗知识。专家指导下修改知识库，学习医疗知识。PROS

14、PECTORPROSPECTOR系统系统从从l976l976年开始研制，于年开始研制，于19811981年基本完年基本完成。该系统拥有成。该系统拥有1515种矿藏的知识，并成功地应用于钼种矿藏的知识，并成功地应用于钼矿勘探。其特点是很好地协调了多名专家多种矿藏的矿勘探。其特点是很好地协调了多名专家多种矿藏的知识模型。知识模型。AMAM系统系统是在是在19761976年研制的，它能够进行概括、抽象和年研制的，它能够进行概括、抽象和归纳推理，发现某些数论的概念和定理。归纳推理，发现某些数论的概念和定理。6.6.第二代专家系统特点第二代专家系统特点:学科专业型应用系统。学科专业型应用系统。系统结构较

15、完整，功能较全面，移植性好。系统结构较完整，功能较全面，移植性好。具有推理解释功能，使用户能比较清楚地了解系统具有推理解释功能，使用户能比较清楚地了解系统的解题过程。增强了系统的透明性，同时也有利于的解题过程。增强了系统的透明性，同时也有利于发现错误，修改知识。较好的透明性也有助于提高发现错误，修改知识。较好的透明性也有助于提高用户对系统的信赖程度。用户对系统的信赖程度。采用启发推理、似然推理、非精确推理，增强了系采用启发推理、似然推理、非精确推理，增强了系统的表达能力，开拓了使用启发性知识和可信度分统的表达能力，开拓了使用启发性知识和可信度分析解决问题的新途径。析解决问题的新途径。把具有一定

16、普遍意义的推理方法与大量同领域有关把具有一定普遍意义的推理方法与大量同领域有关的专门知识结合起来，从而使这些系统具有广泛的的专门知识结合起来，从而使这些系统具有广泛的通用性。通用性。用产生式规则、框架、语义网络表达知识。用产生式规则、框架、语义网络表达知识。用用LISPLISP语育编程。语育编程。7.7.第三代专家系统第三代专家系统第三代专家系统的典型代表有：第三代专家系统的典型代表有：多学科综合型专家系统多学科综合型专家系统HPP-80HPP-80、骨架型专家系统、骨架型专家系统EMYCINEMYCIN和和EXPERTEXPERT等等。HPP-80HPP-80系统系统是是8080年代具有大型

17、知识库的多学科综合型专家年代具有大型知识库的多学科综合型专家系统。包括两大部分系统。包括两大部分:多学科应用专家系统。多学科应用专家系统。如化学、分子遗传学、蛋白质分析、如化学、分子遗传学、蛋白质分析、结构力学、集成电路设计、计算机故障诊断、辅助教学、石结构力学、集成电路设计、计算机故障诊断、辅助教学、石油勘探、医学诊断等各学科所集成的专家系统。油勘探、医学诊断等各学科所集成的专家系统。知识工程工具。知识工程工具。用于建立应用专家系统的辅助工具，即专家用于建立应用专家系统的辅助工具，即专家系统的开发工具系统的开发工具(生成器生成器)，如骨架专家系统，如骨架专家系统EMYCINEMYCIN、模块

18、式、模块式专家系统工具专家系统工具AGEAGE、通用知识表达语言、通用知识表达语言RLLRLL、交互式知识表达、交互式知识表达工具工具UNITSUNITS和和CENTAURCENTAUR等。等。第三代专家系统具有以下特点第三代专家系统具有以下特点:多学科综合应用系统；多学科综合应用系统；利用专家系统开发工具建立专家系统；利用专家系统开发工具建立专家系统；是一种大型知识工程系统。是一种大型知识工程系统。8.8.专家系统分类专家系统分类 专家系统按用途分类专家系统按用途分类预测型专家系统。预测型专家系统。解释型专家系统。解释型专家系统。设计型专家系统。设计型专家系统。诊断型专家系统。诊断型专家系统

19、。规划型专家系统。规划型专家系统。控制型专家系统。控制型专家系统。监视型专家系统。监视型专家系统。调试型专家系统。调试型专家系统。修理型专家系统。修理型专家系统。此外，还有翻译型专家系统、指挥决策型专家系统、此外，还有翻译型专家系统、指挥决策型专家系统、管理型专家系统等。管理型专家系统等。按知识表示分类按知识表示分类 可分为基于产生式规则的专家系统、可分为基于产生式规则的专家系统、基于一阶谓词的专家系统、基于框架的专家基于一阶谓词的专家系统、基于框架的专家系统、基于语义网络的专家系统等等。系统、基于语义网络的专家系统等等。按系统的体系结构分类按系统的体系结构分类 专家系统可分为专家系统可分为4

20、 4类：集中式专家系类：集中式专家系统、分布式专家系统、神经网络专家系统、统、分布式专家系统、神经网络专家系统、符号系统与神经网络相结合的专家系统。符号系统与神经网络相结合的专家系统。8.8.专家系统分类专家系统分类按求解问题的要求及其难易程度分类按求解问题的要求及其难易程度分类 具有可靠知识和数据的小型搜索空间的专家系统；具有可靠知识和数据的小型搜索空间的专家系统；所用知识和数据不完全可靠的专家系统；所用知识和数据不完全可靠的专家系统；所求解问题的推理需要随时间变化的专家系统；所求解问题的推理需要随时间变化的专家系统；所求解的问题是可分解的专家系统；所求解的问题是可分解的专家系统；所求解的问

21、题是不可分解的专家系统；所求解的问题是不可分解的专家系统；所求解的问题不能划分为固定子问题的专家系统；所求解的问题不能划分为固定子问题的专家系统；各子问题有相互影响的专家系统；各子问题有相互影响的专家系统；需要多重精确推理的专家系统；需要多重精确推理的专家系统；需要多重不精确需要多重不精确(如，模糊如，模糊)推理的专家系统；推理的专家系统；利用多知识源的专家系统；利用多知识源的专家系统；使用统一知识表示方法的专家系统。使用统一知识表示方法的专家系统。9.9.新一代专家系统新一代专家系统一、新一代专家系统ES的特征 并行技术与分布式处理。并行技术与分布式处理。多多ESES协同工作。协同工作。高度

22、集成和融合。高度集成和融合。高级高级ESES描述语言和知识表示语言。描述语言和知识表示语言。高级知识获取与学习功能。高级知识获取与学习功能。引入新的推理机制。引入新的推理机制。具有纠错和自完善能力。具有纠错和自完善能力。先进的智能人机接口。先进的智能人机接口。二、二、分布式ES分布式分布式ESES的构成可以把知识库分布在计算机网络上，或者把的构成可以把知识库分布在计算机网络上，或者把推理机制分布在网络上，或者两者兼而有之推理机制分布在网络上，或者两者兼而有之 。该系统要。该系统要涉及到以下问题：涉及到以下问题：功能分布。功能分布。知识分布。知识分布。各个接口之间要相互独立，易于通信、易于同步。

23、各个接口之间要相互独立，易于通信、易于同步。系统结构。采用网络分布结构。系统结构。采用网络分布结构。驱动方式。驱动方式。控制驱动。控制驱动。数据驱动。数据驱动。目的驱动。目的驱动。事件驱动事件驱动。9.9.新一代专家系统新一代专家系统三、协同式三、协同式ESES 协同式协同式ESES也即群也即群ESES。它能综合若干个相近领域。它能综合若干个相近领域或一个领域的多个方面的分或一个领域的多个方面的分ESES相互协作，共同解决一个更相互协作，共同解决一个更广领域的问题。广领域的问题。协同式协同式ESES和分布式和分布式ESES有一定的共性，它们都涉及有一定的共性，它们都涉及到多个分到多个分ESES

24、。但分布式强调的是处理的分布和知识的分布，。但分布式强调的是处理的分布和知识的分布，它要求系统必须在多个处理机上运行；而协调式强调的是它要求系统必须在多个处理机上运行；而协调式强调的是分系统之间的协同合作，各分分系统之间的协同合作，各分ESES也可以在同一个处理机上也可以在同一个处理机上运行。设计协同式运行。设计协同式ESES，一般需要解决以下问题：，一般需要解决以下问题：任务的分解。任务的分解。公共知识的导出。公共知识的导出。讨论方式。讨论方式。裁决问题。裁决问题。驱动方式。驱动方式。9.9.新一代专家系统新一代专家系统四、深层知识深层知识ESES 该系统不仅涉及专家经验性表层该系统不仅涉及

25、专家经验性表层知识，而且具有深层次的专业知识。这样、知识，而且具有深层次的专业知识。这样、系统的智能就更强了，也更接近于专家水系统的智能就更强了，也更接近于专家水平了。例如一个故障诊断平了。例如一个故障诊断ESES，如果不仅有，如果不仅有专家的经验知识，而且也有设备本身的原专家的经验知识，而且也有设备本身的原理性知识，那么，对于故障判断的准确性理性知识，那么，对于故障判断的准确性将会进一步提高。要做到这一点，这里存将会进一步提高。要做到这一点，这里存在一个如何把专家知识与领域知识融合的在一个如何把专家知识与领域知识融合的问题。问题。9.9.新一代专家系统新一代专家系统五、模糊五、模糊ESES

26、主要特点是通过模糊推理解决主要特点是通过模糊推理解决问题的问题的ESES。这种系统善于解决那些含有模。这种系统善于解决那些含有模糊性数据、信息或知识的复杂问题，但也糊性数据、信息或知识的复杂问题，但也可以通过把精确数据或信息模糊化，然后可以通过把精确数据或信息模糊化，然后通过模糊推理进行处理的复杂问题。这里通过模糊推理进行处理的复杂问题。这里所说的模糊推理包括基于模糊规则的串行所说的模糊推理包括基于模糊规则的串行演绎推理和基于模糊集并行计算。演绎推理和基于模糊集并行计算。模糊模糊ESES在控制领域非常有用，它现已发展在控制领域非常有用，它现已发展成为智能控制的一个分支领域。成为智能控制的一个分

27、支领域。9.9.新一代专家系统新一代专家系统五、模糊五、模糊ESES 模糊控制系统的一般结构如图模糊控制系统的一般结构如图8-18-1所所示。示。9.9.新一代专家系统新一代专家系统模糊控制器(专家系统)模糊化模糊控制规则去模糊模糊语言值(模糊集)模糊语言值(模糊集)输入量(精确值)控制量(精确值)设定值传感机构被控对象执行机构测量值图8-1 模糊控制系统结构 六六.神经网络神经网络ESES 利用神经网络的自学习、自适应、分利用神经网络的自学习、自适应、分布存储、联想记忆、并行处理，以及鲁棒性和容布存储、联想记忆、并行处理，以及鲁棒性和容错性强等特点来实现错性强等特点来实现ESES的功能，有三

28、种神经网络的功能，有三种神经网络模型与模型与ESES集成模式：集成模式：神经网络支持神经网络支持ESES。以传统的。以传统的ESES为主，以神经网为主，以神经网络的有关技术为辅。络的有关技术为辅。ESES支持神经网络。以神经网络的有关技术为核支持神经网络。以神经网络的有关技术为核心，建立相应领域的心，建立相应领域的ESES，采用，采用ESES的相关技术完成的相关技术完成解释等方面的工作。解释等方面的工作。协同式的神经网络协同式的神经网络ESES。选择用神经网络或。选择用神经网络或ESES加加以实现，在神经网络和以实现，在神经网络和ESES之间建立一种耦合关系。之间建立一种耦合关系。9.9.新一

29、代专家系统新一代专家系统六六.神经网络神经网络ESES 自动获取模块输入、组织并存储专家提供的学自动获取模块输入、组织并存储专家提供的学习实例、选定神经网络的结构、调用神经网络的学习算法，习实例、选定神经网络的结构、调用神经网络的学习算法，为知识库实现知识获取。当新的学习实例输入后，知识获为知识库实现知识获取。当新的学习实例输入后，知识获取模块通过对新实例的学习，自动获得新的网络权值分布，取模块通过对新实例的学习，自动获得新的网络权值分布，从而更新了知识库。如图从而更新了知识库。如图8-28-2所示。所示。9.9.新一代专家系统新一代专家系统学习示例学习示例网络结构网络结构学习算法学习算法解释

30、器解释器知识获取知识获取知识库知识库推理机推理机图图8-2 8-2 神经网络神经网络ESES的基本结构的基本结构用户用户神经网络神经网络专家专家七、七、多媒体多媒体ESES 多媒体多媒体ESES就是把多媒体技术引入人机界就是把多媒体技术引入人机界面，使其具有多媒体信息处理功能，并改善人机面，使其具有多媒体信息处理功能，并改善人机交互方式，进一步增强交互方式，进一步增强ESES的拟人性效果。的拟人性效果。八、八、事务处理事务处理ESES 事务处理事务处理ESES是融入专家模块的各种计算是融入专家模块的各种计算机应用系统，如财物处理系统、管理信息系统，机应用系统，如财物处理系统、管理信息系统，决策

31、支持系统决策支持系统CADCAD系统、系统、CAICAI系统等等。这种思想系统等等。这种思想和系统，打破了将和系统，打破了将ESES孤立于主流的数据处理应用孤立于主流的数据处理应用之外的局面，而将两者有机地融合在一起。这种之外的局面，而将两者有机地融合在一起。这种系统也就是要把基于知识的推理，与通常的各种系统也就是要把基于知识的推理，与通常的各种数据处理过程有机地结合在一起。数据处理过程有机地结合在一起。9.9.新一代专家系统新一代专家系统九、基于九、基于WebWeb的的ESES 基于基于WebWeb的的ESES是是WebWeb数据交换技术与传统数据交换技术与传统ESES集成所集成所得到的一种

32、先进得到的一种先进ESES。它利用。它利用WebWeb浏览器实现人机交互，基浏览器实现人机交互，基于于Web ESWeb ES中的各类用户都可通过浏览器访问中的各类用户都可通过浏览器访问ESES。基于。基于Web Web ESES的结构如图的结构如图8-38-3所示。所示。9.9.新一代专家系统新一代专家系统Web浏览浏览器器普通用户普通用户领域专家领域专家AI专家专家图图8-3 基于基于Web ES的结构的结构应用服应用服务器务器解释器解释器Web接口接口推理机推理机数据库服务器数据库服务器知识库知识库数据库数据库10.10.专家系统的主要研究课题专家系统的主要研究课题 设计当前国民经济和军

33、事方面急需、实用化且商品化的设计当前国民经济和军事方面急需、实用化且商品化的ESES。ESES的理论与技术、设计原理与方法、工具和环境、推理的理论与技术、设计原理与方法、工具和环境、推理机制、知识表示方法、学习机制、新体制结构、新一代编机制、知识表示方法、学习机制、新体制结构、新一代编程语言、性能评价、微码实现、优化问题等的研究。程语言、性能评价、微码实现、优化问题等的研究。知识获取系统、知识获取工具、智能数据库与知识库、知识获取系统、知识获取工具、智能数据库与知识库、综合知识库及其应用、知识库管理系统的研究。综合知识库及其应用、知识库管理系统的研究。新一代新一代ESES和面向研究者的和面向研

34、究者的ESES的研究。的研究。语音、图形、图像识别，语音、图形、图像库管理系统，语音、图形、图像识别，语音、图形、图像库管理系统，多媒体人机接口的研究。多媒体人机接口的研究。自组织、自学习、自协商、自寻优、多级、多学科的综自组织、自学习、自协商、自寻优、多级、多学科的综合性合性ESES的开发与研究。的开发与研究。11.11.专家系统的发展趋势专家系统的发展趋势 传统的专家系统与面向对象、神经网络以及模糊技术相融传统的专家系统与面向对象、神经网络以及模糊技术相融合。合。专家系统与传统的计算机应用系统相融合。专家系统与传统的计算机应用系统相融合。功能集成形成大型化专家系统，即从单学科、单功能、专功

35、能集成形成大型化专家系统，即从单学科、单功能、专门性的小型专家系统，向多学科、多功能、综合性的大型门性的小型专家系统，向多学科、多功能、综合性的大型知识系统发展。其特点是知识系统发展。其特点是:向用户实际的复杂问题求解；向用户实际的复杂问题求解；具有综合性、多方面的集成功能；具有综合性、多方面的集成功能；应用多学科、多专业、多专家的知识和经验，进行并行应用多学科、多专业、多专家的知识和经验，进行并行协同解题；协同解题；依靠诸如模型、方法、软件和接口等多种技术集成进行依靠诸如模型、方法、软件和接口等多种技术集成进行设计与建造；设计与建造；基于分布式、开放性软硬件及网络环境；基于分布式、开放性软硬

36、件及网络环境；实现知识共享和知识重用。实现知识共享和知识重用。11.11.专家系统的发展趋势专家系统的发展趋势技术集成化，如技术集成化，如:人工神经网络、面向对象人工神经网络、面向对象方法、遗传算法、模糊数学等，进行模型、方法、遗传算法、模糊数学等，进行模型、方法、技术集成，设计和建造集成化、混方法、技术集成，设计和建造集成化、混合型专家系统。合型专家系统。智能集成达到拟人化，即将已开发出的由智能集成达到拟人化，即将已开发出的由知识库、推理机和神经网络等所具有的高知识库、推理机和神经网络等所具有的高智能，同当前的多媒体、超媒体等新技术智能，同当前的多媒体、超媒体等新技术相结合，实现具有自学习、

37、自组织、自适相结合，实现具有自学习、自组织、自适应、多媒体人机智能接应、多媒体人机智能接，声图文并茂的，声图文并茂的专家系统。专家系统。网上咨询型专家系统将会流行和活跃起来。网上咨询型专家系统将会流行和活跃起来。12.12.新一代专家系统的特征新一代专家系统的特征 并行技术与分布式处理；并行技术与分布式处理；多专家系统协同工作；多专家系统协同工作；高级专家系统描述语言和知识表示高级专家系统描述语言和知识表示语言；语言；高级知识获取与学习功能；高级知识获取与学习功能；引入新的推理机制；引入新的推理机制；具有纠错和自完善能力；具有纠错和自完善能力；先进的智能人机接口先进的智能人机接口。8 82 2

38、 专家系统的设计专家系统的设计 8 82 21 1 开发专家系统的需求分析开发专家系统的需求分析1.1.在什么情况下开发专家系统在什么情况下开发专家系统ESES是可能的是可能的开发一个开发一个ESES一般需要满足以下要求：一般需要满足以下要求：在该领域要有真正公认的高水平专家存在并能积极参在该领域要有真正公认的高水平专家存在并能积极参与。与。领域专家应该对问题答案的选择和精确度有基本一致领域专家应该对问题答案的选择和精确度有基本一致的看法。的看法。专家还必须能够描述和解释他们用于解决领域问题的专家还必须能够描述和解释他们用于解决领域问题的方法。方法。ESES所涉及到的问题不能太难，知识应该是易

39、获得的。所涉及到的问题不能太难，知识应该是易获得的。任务要被很好地理解，不能太新。任务要被很好地理解，不能太新。任务不能涉及到大量的常识，否则面对需要常识推理任务不能涉及到大量的常识，否则面对需要常识推理的任务时就会感到困惑。的任务时就会感到困惑。2.2.在什么情况下建立在什么情况下建立ESES是必要的是必要的 如果符合以下情况可考虑建立如果符合以下情况可考虑建立ESES：应用领域有使用应用领域有使用ESES的需求。的需求。当任务的解决能带来较高的效益时。当任务的解决能带来较高的效益时。领域问题适合用领域问题适合用ESES来解决。来解决。人类专家稀少或非常缺乏，但十分需要聘请专家，专家知人类专

40、家稀少或非常缺乏，但十分需要聘请专家，专家知识又十分昂贵。识又十分昂贵。当任务很难甚至无法完成任务，或者问题求解需要很高的当任务很难甚至无法完成任务，或者问题求解需要很高的代价时。代价时。在人类专家经验和技术不断丢失的情况下在人类专家经验和技术不断丢失的情况下(例如退休、老例如退休、老化、工作调动或者职务的变动，经常会引起关键的专门知识化、工作调动或者职务的变动，经常会引起关键的专门知识随着个人的离去而带走随着个人的离去而带走)。当在不友好、很难到达或危险的环境中作决策时。当在不友好、很难到达或危险的环境中作决策时。问题不能太容易、太简单，而必须难对付和较为重要题。问题不能太容易、太简单，而必

41、须难对付和较为重要题。问题应该是充分的窄以保证问题有实际效益。问题范围太问题应该是充分的窄以保证问题有实际效益。问题范围太宽或太一般会于难以处理。宽或太一般会于难以处理。2.2.在什么情况下建立在什么情况下建立ESES是必要的是必要的 ESES的需求分析可用图的需求分析可用图8-48-4来概述。来概述。适合发展适合发展可能发展可能发展应该发展应该发展不是常识的工作不是常识的工作经验技巧较强的经验技巧较强的工作工作专家有整理解决的办法专家有整理解决的办法有真正专家可以协助有真正专家可以协助报酬率高的工作报酬率高的工作不太难了解的工作不太难了解的工作专家们有一致的解答专家们有一致的解答不太困难的工

42、作不太困难的工作有有危险的环境危险的环境需要专家的地区很多需要专家的地区很多人类专家稀少人类专家稀少人类专家在减少中人类专家在减少中应该应该发展发展ES需要符号处理者需要符号处理者不太容易克服者不太容易克服者需要启发经验者需要启发经验者有实用价值者有实用价值者需长时间解答者需长时间解答者能掌握范围者能掌握范围者且且且且或或且且图图8-4 ES8-4 ES的需求分析的需求分析3.ES3.ES的设计原则的设计原则 根据根据ESES的特点，在设计中应遵循下列原则：的特点，在设计中应遵循下列原则：专门任务。专门任务。ESES设计应面向专家知识和经验行之设计应面向专家知识和经验行之有效的场合，面向专业性

43、的专门任务。有效的场合，面向专业性的专门任务。原型设计。原型设计。采用采用“最小系统观点最小系统观点”进行系统原进行系统原型设计，逐步修改、扩充和完善。型设计，逐步修改、扩充和完善。专家合作。专家合作。领域专家与知识工程师相互合作，领域专家与知识工程师相互合作，是知识获取成功的关键。是知识获取成功的关键。用户参与。用户参与。用户参与用户参与ESES的设计和开发，有助于的设计和开发，有助于人人-机接口设计及系统的运行和评价。机接口设计及系统的运行和评价。辅助工具。辅助工具。采用采用ESES开发工具进行辅助设计，借开发工具进行辅助设计，借鉴已有系统经验，提高设计效率。鉴已有系统经验，提高设计效率。

44、知识获取知识获取一般是指从某个或某些知识一般是指从某个或某些知识源中获取专家系统问题求解所需要的源中获取专家系统问题求解所需要的专门知识，并以某种形式在计算机中专门知识，并以某种形式在计算机中存储、传输与转移。存储、传输与转移。知识获取的基本任务知识获取的基本任务是为专家系统获是为专家系统获取知识，建立起健全、完善、有效的取知识，建立起健全、完善、有效的知识库，以满足领域问题求解的需求。知识库，以满足领域问题求解的需求。8 82 22 2 知识获取知识获取1.1.手工知识获取手工知识获取 该方法是知识工程师与领域专家合作，对该方法是知识工程师与领域专家合作，对有关领域知识和专家知识，进行挖掘、

45、搜有关领域知识和专家知识，进行挖掘、搜集、分析、综合、整理、识别、理解、筛集、分析、综合、整理、识别、理解、筛选、归纳等处理后将有关知识抽取出来，选、归纳等处理后将有关知识抽取出来，以便用于知识库的建立。以便用于知识库的建立。专家系统中的知识可能来自多个知识源，专家系统中的知识可能来自多个知识源，如报告、论文、课本、数据库、实例研究、如报告、论文、课本、数据库、实例研究、经验数据以及系统自身的运行实践等，其经验数据以及系统自身的运行实践等，其中主要知识源是领域专家。知识工程师通中主要知识源是领域专家。知识工程师通过与专家的直接交互来获取知识。过与专家的直接交互来获取知识。知识工程师的主要任务是

46、知识工程师的主要任务是与领域专家交谈，阅读有关文献，获与领域专家交谈，阅读有关文献，获取专家系统所需要的原始知识；取专家系统所需要的原始知识；对获得的原始知识进行分析、归纳、对获得的原始知识进行分析、归纳、整理，形成用自然语言表达的知识条整理，形成用自然语言表达的知识条款，然后交领域专家审查。经反复交款，然后交领域专家审查。经反复交流，最后把知识条款确定下来；流，最后把知识条款确定下来；把最后确定的知识条款用知识表示语把最后确定的知识条款用知识表示语言表示出来，交知识编辑器进行编辑言表示出来，交知识编辑器进行编辑输入。输入。2.2.半自动获取半自动获取 该方法是利用某种专门的知识获该方法是利用

47、某种专门的知识获取系统（如知识编辑软件），采取提示、取系统（如知识编辑软件），采取提示、指导或问答的方式，帮助专家提取、归纳指导或问答的方式，帮助专家提取、归纳有关知识，并自动记入知识库。知识工程有关知识，并自动记入知识库。知识工程师所起的作用是主动的而不是被动的。师所起的作用是主动的而不是被动的。从领域专家抽取知识的技术从领域专家抽取知识的技术 方法方法 描述描述现场观察现场观察 观察专家如何解决工作中的实际问题观察专家如何解决工作中的实际问题问题讨论问题讨论 探索解决特定问题所需数据、知识及过程类探索解决特定问题所需数据、知识及过程类型型问题描述问题描述 请专家为领域中的每类答案描述出其问

48、题原请专家为领域中的每类答案描述出其问题原型型问题分析问题分析 给专家一系列实际问题去出声求解，探求专给专家一系列实际问题去出声求解，探求专家家 推理的每一步基本原理推理的每一步基本原理问题精化问题精化 请专家给出一系列问题，然后使用从访问中请专家给出一系列问题，然后使用从访问中获获取的规则进行解答取的规则进行解答系统检查系统检查 请专家检查和评价原型系统的规则和控制结请专家检查和评价原型系统的规则和控制结构构系统验证系统验证 把专家和原型系统所解答的问题交给其他领把专家和原型系统所解答的问题交给其他领域域专家加以验证专家加以验证3.3.自动知识获取自动知识获取 自动获取又可分为两种形式自动获

49、取又可分为两种形式:一种是系统一种是系统本身具有一种机制，使得系统在运行过程中能不断本身具有一种机制，使得系统在运行过程中能不断地总结经验，并修改和扩充自己的知识库；另一种地总结经验，并修改和扩充自己的知识库；另一种是开发专门的机器学习系统，让机器自动从实际问是开发专门的机器学习系统，让机器自动从实际问题中获取知识，并填充知识库。它不仅可以直接与题中获取知识，并填充知识库。它不仅可以直接与领域专家对话，从专家提供的原始信息中学习专家领域专家对话，从专家提供的原始信息中学习专家系统所需要的知识，而且还能从系统运行实践中总系统所需要的知识，而且还能从系统运行实践中总结、归纳出新的知识，发现和改正自

50、身存在的错误，结、归纳出新的知识，发现和改正自身存在的错误，并通过不断地自我完善，使知识库逐步趋于完整、并通过不断地自我完善，使知识库逐步趋于完整、一致。一致。具备如下能力。具备如下能力。具有语音、文字、图像的识别能力具有语音、文字、图像的识别能力具备理解、分析、归纳问题的能力具备理解、分析、归纳问题的能力具有从自身运行过程中学习的能力具有从自身运行过程中学习的能力4.4.人工神经网络知识获取人工神经网络知识获取 人工神经网络是一种具有学习、联想和人工神经网络是一种具有学习、联想和自组织能力的智能系统。在专家系统中，可利用自组织能力的智能系统。在专家系统中，可利用人工神经网络的学习、联想、并行