1、第五章 專家系統(tǒng)5.1 專家系統(tǒng)基本概念一 專家系統(tǒng)：模仿人類專家，使用特定的知識和一定的推理方法，解決專門領(lǐng)域問題的計算機系統(tǒng)。人工智能40年的發(fā)展歷史中第一個真正投入商用的研究成果。與常規(guī)系統(tǒng)和程序相比：常規(guī)系統(tǒng)和程序常規(guī)系統(tǒng)和程序?qū)＜蚁到y(tǒng)專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法算法知識知識+推理推理問題求解的知識隱含問題求解的知識隱含于程序中于程序中將專門知識獨立成知將專門知識獨立成知識庫識庫面向數(shù)值計算和數(shù)據(jù)面向數(shù)值計算和數(shù)據(jù)推理推理面向符號推理面向符號推理處理多為精確數(shù)據(jù)處理多為精確數(shù)據(jù)多為不精確、模糊數(shù)多為不精確、模糊數(shù)據(jù)據(jù)常無解釋常無解釋有解釋有解釋2專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)1簡單結(jié)構(gòu)推 理 機（

2、INFERENCE ENGINE）知識庫（事實庫+規(guī)則庫）問題解答KNOWLEDGE BASE2 一般結(jié)構(gòu)用戶用戶接口用戶接口解釋機構(gòu)解釋機構(gòu)推理機推理機 解釋器 調(diào)度器推出斷言 沖突消解器推薦的行動黑板工作存儲器專家知識知識工程師知識庫知識庫（事實與規(guī)則）開發(fā)環(huán)境咨詢環(huán)境知識精練2專家系統(tǒng)歷史1956-1965：通用問題求解器（General-purpose Solver GPS)，專家系統(tǒng)的前驅(qū)；1965-1980：早期的專家系統(tǒng)。DENDRAL，MYCIN等。第一代（60年代）：高度專業(yè)化，結(jié)構(gòu)功能不完整，移植性差；專門問題求解能力強，但缺乏推理解釋功能。1980-至今：商用專家系統(tǒng)，X

3、CON、XSEL、CATS-1、 工具：多學(xué)科綜合性應(yīng)用；專家系統(tǒng)開發(fā)工具；大型知識工程系統(tǒng)。第二代ES： MYCIN、PROSPECTOR，數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)專家AM：單學(xué)科專業(yè)型應(yīng)用系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)較完整，功能較全面；具有推理解釋功能，透明性好；采用啟發(fā)推理，非精確推理；用各種方法表達(dá)知識；LISP語言編碼。3專家系統(tǒng)特點具有專家水平專門知識；能進(jìn)行有效的推理；具有獲取知識的能力；透明性；交互性；實用性；靈活性；具有一定的復(fù)雜性和難度。4專家系統(tǒng)用途及分類1用途：一般而言：（1）知識利用、保存和傳播的現(xiàn)代化工具，可以保存、復(fù)制、轉(zhuǎn)移、傳播知識，便于專家知識、經(jīng)驗的推廣和應(yīng)用；（2）人工智能和知識工程技術(shù)的

4、開發(fā)工具和環(huán)境。2分類不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，得到不同的分類結(jié)果。從專家系統(tǒng)的特性及處理問題的類型分類：解釋型；診斷型；預(yù)測型；咨詢型；設(shè)計型；規(guī)劃型；控制型；監(jiān)測型；維修型；教學(xué)型；工具型；決策型；管理型等。5.2 血液感染病醫(yī)療診斷系統(tǒng)MYCIN 是一個幫助內(nèi)科醫(yī)生診治感染性疾病的專家系統(tǒng)。78年完成，LISP編寫。一 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫咨詢子系統(tǒng)解釋子系統(tǒng)知識庫知識獲取子系統(tǒng)用戶（醫(yī)生）專家/知識工程師1 數(shù)據(jù)庫：存放病人數(shù)據(jù)、事實、化驗結(jié)果2 咨詢子系統(tǒng)：推理機及用戶接口3 解釋子系統(tǒng)：回答用戶有關(guān)問題求解等的提問4 知識庫：存放規(guī)則知識5 知識獲取子系統(tǒng)：獲取知識2表示1數(shù)據(jù)：（對象 屬性 值 可信

5、度）（PATIENT-1 SEX MALE 1.0）靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、上下文特性等。2規(guī)則：（前提 結(jié)論 可信度）RULE *：PREMISE： &AND ( ) ( ) .ACTION： （CONCLUDE . TALLY CF）3組織1上下文：與診斷相關(guān)的項目、對應(yīng)描述的對象。MYCIN中定義10種上下文，可以視為治療需要考慮的相關(guān)數(shù)據(jù)和問題：病人狀況、培養(yǎng)物/化驗、細(xì)菌、病人已服用藥物、正在接受的治療、正在考慮的處方、以前取得的培養(yǎng)物、以前服用的抗生素、以前分離的細(xì)菌等。在咨詢和求解過程中根據(jù)上下文特性逐漸建立起上下文樹。上下文特性：Assocwith：父輩節(jié)點的上下文類型；Subje

6、ct：可用于此類上下文的規(guī)則表；MainProps：上下文的參數(shù)，當(dāng)此類上下文被例示時，就立即跟蹤此表中參數(shù)；Prompt1：提問，是否已有此類型上下文。Prompt22參數(shù)：上下文、對象屬性Person ：Sex , Name, Age , Regimen等屬性。每一個參數(shù)有相關(guān)的一組屬性，例如：LABDATA：表明數(shù)據(jù)是由用戶直接給出還是需要進(jìn)行推理得到；LOOKAHEAD：在前提中引用該參數(shù)的所有規(guī)則；UPDATED BY：能更新此參數(shù)的所有規(guī)則；CONTAINED IN：在操作部分引用此參數(shù)，但并不改變其值的所有規(guī)則。3 規(guī)則 除了PREMISE、ACTION外，還有以下兩參數(shù)影響其使

7、用：CATEGORY：規(guī)則按上下文進(jìn)行分類，每條規(guī)則只能用于某幾個上下文類；SELFREF：規(guī)則是否自引用。4推理控制1 主要思想：此類病診斷正常過程：（1）確定是否有重要病菌感染；（2）確定病菌類型；（3）確定抗菌類型；（4）優(yōu)選治療方案。MYCIN采用逆向推理，深度優(yōu)先搜索策略。2 主要過程對于新的病人建立PERSON名稱的上下文，跟蹤其參數(shù)；PERSON四個參數(shù)中，只有REGIMEN為非LABDATA；在操作部分涉及它的只有一條規(guī)則：IF 有病菌或需要注意的病菌 THEN則需治療方案 否則 不需要根據(jù)病菌TREATFOR參數(shù)找UPDATE BY規(guī)則，或參數(shù)值；看規(guī)則是否是屬于PERSON

8、，若不是，要考慮新的上下文；新節(jié)點加入需考慮父子關(guān)系，父不存在，需先建父。對規(guī)則處理，條件匹配；兩個過程：MONITOR和FINDOUT；MONITOR用于分析規(guī)則；FINDOUT為MONITOR找所需要的數(shù)據(jù)。5解釋提供解釋機制。5.3 專家系統(tǒng)的設(shè)計和建立專家系統(tǒng)的設(shè)計和建立1設(shè)計內(nèi)容1知識庫設(shè)計：在知識表達(dá)的基礎(chǔ)上，根據(jù)形式化的知識模型和相應(yīng)的符號結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計具有知識存儲、檢索、編排等的知識數(shù)據(jù)庫：（1）庫中存儲知識的類別：敘述/過程/控制等；（2）表達(dá)方法的選擇：適用性/可擴性/有效性等； 多種方法的綜合：混合式/組合式/層次式（3）知識庫管理系統(tǒng)設(shè)計：可借鑒和利用DBMS的設(shè)計思想

9、和方法。3接口設(shè)計（1）用戶和系統(tǒng)接口：咨詢、解釋；（2）專家和系統(tǒng)接口：知識獲取。（1）控制策略：正向/逆向/綜合（2）推理方法 追求效果與效率。2推理機設(shè)計：根據(jù)知識表達(dá)、知識推理方法和推理控制策略，設(shè)計求解專門問題、具有推理、解釋等功能的部分。2開發(fā)步驟1建造步驟：一般性步驟，特定情況有特殊的處理方式，核心是建立知識庫和推理模式。（1）設(shè)計初始知識庫：將專家的知識和經(jīng)驗，提煉/描述，機器、問題適合的恰當(dāng)形式。2原型機的開發(fā)和實驗3改進(jìn)知識化問題概念化形式化規(guī)則化合法化知識概念結(jié)構(gòu)規(guī)則改進(jìn)重新描述再設(shè)計確認(rèn)問題表達(dá)概念形成結(jié)構(gòu)生成系統(tǒng)驗證改進(jìn)完善重新設(shè)計重新描述確認(rèn)：明確任務(wù)、目標(biāo)、條件、

10、資源、環(huán)境；概念化：概念化知識模型，文字/圖形；形式化：形式化知識模型，符號；實現(xiàn)：生成一個完整的結(jié)構(gòu)；測試和修改。3建造中問題1確定專門任務(wù)，確定ES適合開發(fā)的問題：（1）具有適合采用ES技術(shù)開發(fā)的基本條件依靠經(jīng)驗性知識；存在真正合適的領(lǐng)域?qū)＜遥挥忻鞔_開發(fā)目標(biāo)，不太難實現(xiàn)；（2）存在運用ES技術(shù)開發(fā)的理由：有較高效益；某些專門知識可能失傳；需要專門知識；（3）具有適合ES開發(fā)的任務(wù)特性：需符號處理的任務(wù)；需試探性求解任務(wù)；具實際價值任務(wù)。2 采用原型法，漸增式方法；3 領(lǐng)域?qū)＜?、系統(tǒng)工程師/知識工程師的合作；4 用戶參與；5 采用輔助工具；6推理中的問題：（1）首先考慮確定的事物；（2）對于

11、規(guī)則的表達(dá)方式，改善規(guī)則區(qū)別能力；（3）采用不同的推理方法小空間/不可靠數(shù)據(jù)或知識/大搜索空間等。7 測試時，各種不同事例來進(jìn)行。4專家系統(tǒng)中的知識問題 1知識獲取內(nèi)容：知識抽取：將蘊涵于知識源（領(lǐng)域?qū)＜?、書本、相關(guān)論文及系統(tǒng)的運行實踐等）中的知識經(jīng)識別、理解、篩選、歸納等抽取出來；知識轉(zhuǎn)換：將原始知識轉(zhuǎn)化為計算機可表示的；知識輸入：知識經(jīng)過編輯、編譯送入知識庫；知識檢測：獲取方式： 非自動獲?。簭念I(lǐng)域?qū)＜?、書本等?jīng)知識編輯器； 自動獲取：ES自身學(xué)習(xí)功能。2知識檢測和求精知識的一致性和完整性：知識冗余：等價規(guī)則/冗余規(guī)則鏈/冗余條件；IF P AND Q THEN RIF P ANDQ TH

12、EN R知識矛盾：條件從屬規(guī)則：根據(jù)實際情況進(jìn)行判斷；IF P AND Q THEN R；IF Q THEN R；環(huán)路：規(guī)則形成循環(huán)鏈路；IF P THEN Q；IF Q THEN T；IF T THEN P；知識檢測：（1）靜態(tài)檢測：知識輸入前的檢測； 動態(tài)檢測：知識庫進(jìn)行增、刪、改等維護(hù)時的檢測；（2）基于經(jīng)典邏輯的檢測方法：通過對條件、結(jié)論等相應(yīng)部分的邏輯表達(dá)式進(jìn)行比較，判斷其等價、矛盾等特性。 P Q (PQ) 將邏輯表達(dá)式變?yōu)榻y(tǒng)一的形式，例如同為合取范式。冗余檢測：等價規(guī)則/等價規(guī)則鏈/冗余條件等。r1:IF P THEN Q；r2:IF Q THEN R；r3:IF R THEN

13、S；r4:IF P THEN T；r5:IF T THEN S；r1:PQr2: QRr3: RSr4:PTr5: TS從屬規(guī)則檢測：環(huán)路規(guī)則的檢測。（3）其他檢測方法：Petri 網(wǎng)的檢測。3知識的組織與管理（1）知識組織的基本原則：選用的組織方式應(yīng)使知識具有相對的獨立性；便于對知識的搜索；便于對知識的維護(hù)和管理；多種模式表示；（2）管理知識庫重組；運行實例的記錄；運行記錄；知識庫的創(chuàng)建及維護(hù)記錄；知識庫的安全性。四 系統(tǒng)評價1系統(tǒng)的決定和建議的質(zhì)量，求解問題的結(jié)果質(zhì)量；2表示方法和組織方法的適當(dāng)性；3人機對話質(zhì)量；4求解的效率；5系統(tǒng)的可維護(hù)性；6解釋的能力；7系統(tǒng)的成本。5專家系統(tǒng)開發(fā)工具作為設(shè)計和開發(fā)ES的輔助手段和環(huán)境。1骨架型開發(fā)工具將成功ES的知識庫中的知識、規(guī)則去掉，保留獨立于問題領(lǐng)域知識的推理機部分。優(yōu)點：簡單、快速、高效；缺點：對于求解問題時不同的推理方法，控制策略的適用有困難；EMYCIN，JESS2語言型開發(fā)工具建立適合于ES開發(fā)的語言