人工智能之专家系统概要.ppt
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1、专家系统原理与设计专家系统原理与设计专家系统原理与设计专家系统原理与设计 1.专家系统的概念专家系统的概念 2.专家系统的结构专家系统的结构3.专家系统设计与实现专家系统设计与实现4.专家系统开发工具与环境专家系统开发工具与环境 1、专家系统的概念专家系统的概念 1.1什么是专家系统 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。狭义地讲狭义地讲,专家系统就是人类专家智慧的
2、拷贝,是人类专家的某种化身。广义地讲广义地讲,专家系统也泛指那些具有“专家级”水平的知识系统,从总体上达到专家级水平。1.2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:1)专家系统是人类专家智能的模拟、延伸和扩展。人类专家智能的模拟、延伸和扩展。2)专家系统是专家可以信赖和利用的高水平智能助手和有信赖和利用的高水平智能助手和有效工具。效工具。3)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定领域特定领域工作,注重特定问题的求解。工作,注重特定问题的求解。4)专家系统能高效、准确、迅速高效、准确、迅速地工作。5)专家系统突
3、破了时间和空间的限制突破了时间和空间的限制,程序可永久保存并可复制。6)专家系统能进行有效推理推理。7)具有透明性透明性,能以可理解的方式解释推理过程。8)具有自学习能力自学习能力,总结规律,扩充和完善系统自身。同一般的计算机应用系统(如数值计算、数据处理系统等)相比,专家系统具有下列特点:(1)从处理的问题性质看,专家系统善于解解决决那那些些不不确确定定性性的的、非非结结构构化化的的、没没有有算算法法解解或或虽虽有有算算法法解解但在现有的机器上无法实施的困难问题但在现有的机器上无法实施的困难问题。(2)从处理问题的方法看,专家系统则是靠靠知知识识和和推推理理来来解解决决问问题题(不不像像传传
4、统统软软件件系系统统使使用用固固定定的的算算法法来来解解决决问问题题),所以,专家系统是基于知识的智能问题求解系统。(3)从系统的结构来看,专家系统则强调知识与推理的分离,因而系统具有很好的灵活性和可扩充性灵活性和可扩充性。(4)专家系统一般还具有解解释释功功能能,即在运行过程中一方面能回答用户提出的问题,另一方面还能对最后的输出(结论)或处理问题的过程作出解释。(5)有些专家系统还具有“自自学学习习”能力,即不断对自己的知识进行扩充、完善和提炼。这一点是传统系统所无法比拟的。(6)专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘,易受环境、情绪等的影响,它可始终如一地以专家级的高水平求解问题。1.3知识的编
5、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表现表现与说明型为主与说明型为主 与过程型为主模型模型思考模型思考模型 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手法手法符号处理符号处理 数值处理运算运算推理控制过程推理控制过程 重复计算过程理解理解容易容易 困难扩充扩充容易容易 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处理处理高度的集成处理高度的集成
6、处理 顺序的批处理规则规则启发式启发式 算法式 1.4 专家系统的类型 关于专家系统的分类,目前还无定论。仅从几个不同的侧面对此进行讨论。1.按用途分类 按用途分类,专家系统可分为:诊断型、解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型等几种类型。2.按输出结果分类 按输出结果分类,专家系统可分为分析型和设计型。3.按知识表示分类 目前所用的知识表示形式有:产生式规则、一阶谓词逻辑、框架、语义网等。4.按知识分类 知识可分为确定性知识和不确定性知识,所以,按知识分类,专家系统又可分为精确推理型和不精确推理型(如,模糊专家系统)。5.按技术分类 按采用的技术分类,专家系统可分为符号推理专
7、家系统和神经网络专家系统。6.按规模分类 按规模分类,可分为大型协同式专家系统和微专家系统。7.按结构分类 按结构分类可分为集中式和分布式,单机型和网络型(即网上专家系统)。神经网络神经网络ES 自动获取模块输入、组织并存储专家提供的学习实例、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,为知识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,知识获取模块库实现知识获取。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,从而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
8、识库。如图所示。更新了知识库。如图所示。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器解释器知识获取知识获取知识库知识库推理机推理机神经网络神经网络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 2.1 概念结构 从概念来讲,一个专家系统应具有如图1所示的一般结构模式。其中知识库和推理机知识库和推理机是两个最基本的模块。1.知识库(KnowledgeBase)所谓知识库,就是以以某某种种表表示示形形式式存存储储于于计计算算机机中中的的知知识识的的集集合合。知识库通常是以一个个文件的形式存放于外部介质上,专家系统运行时将被调入内存。知识库中的知识一般包括专家知识、领域知识和
9、元知识专家知识、领域知识和元知识。2、专家系统的结构专家系统的结构 图 1专家系统的概念结构 2.推理机(Inferense Engine)所谓推理机,就是实实现现(机机器器)推推理理的的程程序序。这里的推理,是一个广义的概念,它既包括通常的逻辑推理,也包括基于产生式的操作。例如:AB A B 3.动态数据库 动态数据库也称全局数据库、综合数据库、工作存储器、黑板等,它是存存放放初初始始证证据据事事实实、推推理理结结果果和和控控制制信信息息的的场场所所,或者说它是上述各种数据构成的集合。4.人机界面 这里的人机界面指的是最终用户与专家系统的交互界面。5.解释模块 解释程序模块专门负责向用户解释
10、专家系统的行为和结果。6.知识库管理系统 知识库管理系统是知识库的支撑软件。知识库管理系统对知识库的作用,类似于数据库管理系统对数据库的作用,其功能包括知识库的建立、删除、重组;知识的获取(主要指录入和编辑)、维护、查询、更新;以及对知识的检查,包括一致性、冗余性和完整性检查等等。图2 专家系统的理想结构 2.2 实际结构 上面介绍的专家系统结构,是专家系统的概念模型,或者说是只强调知识和推理这一主要特征的专家系统结构。但专家系统终究仍是一种计算机应用系统。所以,它与其它应用系统一样是解决实际问题的。而实际问题往往是错综复杂的,比比如如,可可能能需需要要多多次次推推理理或或多多路路推推理理或或
11、多多层层推推理理才才能能解解决决,而而知知识识库库也也可可能能是多块或多层的。是多块或多层的。图3 专家系统的实际结构示例 总 控处理模块1处理模块n专家模块1专家模块m 图4 地质图件绘制智能辅助系统结构 2.3 网络与分布式结构 在网络环境下,专家系统也可以设计成网络结构,如“客户机/服务器”(Client/Server)结构(如图5(a)所示),或浏览器/服务器(Browser/Server)结构(如图5(b)所示)。我们称后一种结构的专家系统为网上专家系统。分布式结构则是一种适合于分布式计算环境的专家系统。例如那些多学科、多专家联合作业,协同解题的大型专家系统,就可以设计成分布式结构。
12、这类专家系统也就称为分布式专家系统。图5 专家系统的客户(机)/服务器结构及浏览器/服务器结构 知识库推理机推理机知识库人机界面人机界面客户(机)Browser服务器 Web ServerInternet3、专家系统设计与实现、专家系统设计与实现 3.1 ES设计的原则设计的原则根据根据ES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。ES设计应面向专家知识和经验行之有效的设计应面向专家知识和经验行之有效的场合,面向专业性的专门任务。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”进行系统原型设计,进行系统原型设计,逐步
13、修改、扩充和完善。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,是知识领域专家与知识工程师相互合作,是知识获取成功的关键。获取成功的关键。用户参与。用户参与。用户参与用户参与ES的设计和开发,有助于人的设计和开发,有助于人-机接机接口设计及系统的运行和评价。口设计及系统的运行和评价。辅助工具。辅助工具。采用采用ES开发工具进行辅助设计,借鉴已有开发工具进行辅助设计,借鉴已有系统经验,提高设计效率。系统经验,提高设计效率。专家系统设计与实现的一般过程专家系统设计与实现的一般过程系系统统维维护护与与完完善善选题选题与明与明确任确任务务系统系统需求需求分析分析知识知识获取获
14、取与概与概念化念化知识知识的形的形式化式化表示表示系系统统设设计计编程编程与调与调试试测试测试与评与评价价专家系统设计与实现的一般过程专家系统设计与实现的一般过程再选再选题题再测再测评评精化精化再设再设计计再获再获取取再形再形成成再分再分析析 专家系统设计结构图知识源学习模块用户接口模块结论模块问题理解模块推理机模块可信度模块知识获取模块知识库模块规则库知识库 事实库知识解释模块 建立专家系统的一般步骤 由图中可以看出,专家系统的开发有如下特点:(1)知识获取与知识表示设计知识获取与知识表示设计是一切工作的起点起点;(2)知识表示以及知识描述语言确定后,各项设计(图中并列的六个设计)可同时进行
15、。还需说明的是:(1)对于一个实际的专家系统,在系统分析阶段就应该首先弄清楚:系统中哪里需要专家知识,专家知识的作用是什么?以及系统中各专家模块的输入是什么?处理是什么?输出又是什么?(2)系统投入运行后,一般来说,其知识库还需不断扩充、更新、完善和优化。所以专家系统的开发更适合采用快速原型法。(3)对系统的评价主要看它解决问题是否达到专家水平。(4)上述的所谓“纯专家系统”就是一个实际专家系统中的专家模块部分。那么,对于系统其他部分的分析与设计,原则上讲,与一般计算机应用系统完全一样,即可按软件工程规范和程序进行。3.2 知识获取 知识获取是建造专家系统的关键一步,也是较为困难的一步,被称为
16、建造专家系统的“瓶颈”。知识获取大体有三种途径。1.人工获取人工获取 人工获取,即计算机人员(或知识工程师)与领域专家合作,对有关领域知识和专家知识,进行挖掘、搜集、分析、综合、整理、归纳,然后以某种表示形式存入知识库。2.半自动获取半自动获取 半自动获取,即利用某种专门的知识获取系统,采取提示、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。3.自动获取自动获取 自动获取又可分为两种形式: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题中获取知识,并填充知识库。3.3 知识表示与知
17、识描述语言设计 知识表示与知识描述语言设计是根据所获得知识的特点,选择或设计某种知识表示形式,并为这种表示形式设计相应的知识描述语言。所谓知知识识描描述述语语言言,就就是是知知识识的的具具体体语语法法结结构构形形式式。所以,知识描述语言既要面向人、面向用户,又要面向知识表示、面向机器,还要面向推理、面向知识运用。这就要求知识描述语言既既能能为为用用户户提提供供一一种种方方便便、易易懂懂的的外外部部知知识识表表达达形形式式,又又能能将将这这种种外外部部表表示示转转换换成成容容易易存存储储、管管理理、运用的内部形式。运用的内部形式。3.4 知识库与知识库管理系统设计 知知识识库库是是专专家家系系统
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