第7章專家系統(tǒng)人工智能第7章專家系統(tǒng)人工智能1Expertsarepeoplewhoareveryfamiliarwithsolvingspecifictypesofproblems.

Expertsystemisanintelligentcomputerprogramthatcanperformspecialanddifficulttaskinsomefieldatthelevelofhumanexperts.ExpertsystemhasbeenoneofmostactiveandimportantapplicationfieldsofAI.Expertsystemsaremostlydomainspecific.Expertsystemhasaverywidefieldofapplications.6.1

Introduction專家系統(tǒng)概述

WhatisanExpertSystem?2Expertsarepeoplewhoarever6.1Introduction費(fèi)根鮑姆把專家系統(tǒng)定義為一個應(yīng)用知識和推理過程來求解需要大量的人類專家解決難題經(jīng)驗(yàn)的智能計(jì)算機(jī)程序。專家系統(tǒng)是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家才能處理好的復(fù)雜問題。專家系統(tǒng)是模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。專家系統(tǒng)的基本功能取決于它所含有的知識，因此也把專家系統(tǒng)稱為基于知識的系統(tǒng)（knowledge-basedsystem）。36.1Introduction費(fèi)根鮑姆把專家系統(tǒng)定義為一6.1.1

FeatureofExpertSystem(ES)

專家系統(tǒng)的特點(diǎn)Heuristic啟發(fā)性專家系統(tǒng)要解決的問題，其結(jié)構(gòu)往往是不合理的，其問題求解（problem-solving）知識不僅包括理論知識和常識，而且包括專家本人的啟發(fā)知識。

Useheuristicknowledgeofexperttomakeinference,judgment,decisionandconclusion.46.1.1FeatureofExpertSysteTransparency

透明性Expertsystem

caninterpretitsowninferenceprocessandansweruser’squeries,sothatusercanunderstandtheinferenceprocess，enhancethebelievetoES。問題求解過程中知識應(yīng)用的合理性可由檢驗(yàn)專家系統(tǒng)的解釋推理路徑來驗(yàn)證。5Transparency透明性5Flexibility

靈活性AbilitytoextendandenrichtheKB,andself-learningability專家系統(tǒng)的靈活性是指它的擴(kuò)展和豐富知識庫的能力，以及改善非編程狀態(tài)下的系統(tǒng)性能，即自學(xué)習(xí)能力。ReasoningMachinecanselectvariousrelativeknowledgefromKBandconstructproblemsolvingsequencesaccordingtotheparticularsofthespecificsolvedproblems.6Flexibility靈活性6AdvantagesofES

優(yōu)點(diǎn)Providesconsistentanswersforrepetitivedecisions,processesandtasksHoldsandmaintainssignificantlevelsofinformationEncouragesorganizationstoclarifythelogicoftheirdecision-makingNever"forgets"toaskaquestion,asahumanmight7AdvantagesofES優(yōu)點(diǎn)ProvidescAdvantagesofES

優(yōu)點(diǎn)能高效、準(zhǔn)確、周到、迅速和不知疲倦地工作。專家系統(tǒng)解決實(shí)際問題時不受周圍環(huán)境的影響，也不會遺漏和忘記。使專家的專長不受時間和空間的限制，以便推廣珍貴和稀缺的專家知識與經(jīng)驗(yàn)。專家系統(tǒng)能促進(jìn)各領(lǐng)域的發(fā)展，使各領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)得到總結(jié)和精煉，能夠廣泛有力地傳播專家的知識、經(jīng)驗(yàn)和能力。8AdvantagesofES優(yōu)點(diǎn)能高效、準(zhǔn)確、周到、專家系統(tǒng)能匯集多領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)以及他們協(xié)作解決重大問題的能力。軍事專家系統(tǒng)的水平是一個國家國防現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。專家系統(tǒng)的研制和應(yīng)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。研究專家系統(tǒng)能夠促進(jìn)整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。專家系統(tǒng)對人工智能各個領(lǐng)域的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用，并將對科技、經(jīng)濟(jì)、國防、教育、社會和人民生活產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。9專家系統(tǒng)能匯集多領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)以及他們協(xié)作解決重大問題6.1.2Structures&BuildingStep

ofES專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和建造步驟定義：指專家系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)造方法和組織形式專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig6.1SimplifiedblockdiagramofexpertsystemExpertiseKnowledgeBaseInputorQueryReasoningMachineAnswer106.1.2Structures&Building理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖6.2理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖接口用戶事實(shí)規(guī)則計(jì)劃議程中間解黑板知識庫解釋器執(zhí)行器調(diào)度器協(xié)調(diào)器11理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖6.2理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖接口用

IdealArchitectureofESKnowledgeBaseGlobalDatabaseReasoningMachineExplanatorInterface12IdealArchitectureofESKnowlBuildingExpertSystem

專家系統(tǒng)的建造步驟1.DesignofInitialKnowledgeBaseProblemidentificationKnowledgeconceptualizationConceptformulizationRuleformulationRulevalidation13BuildingExpertSystem

專家BuildingExpertSystem

專家系統(tǒng)的建造步驟2.Development&testforprototypesystem3.Improvement&inductionfortheknowledge14BuildingExpertSystem

專家DateAcquisitionIndentifi-cationConceptu-alizationFormali-zationRuleFormalizationValidationKnowledgeConceptsStructureRulesConclusionRepresentationRefinementsReformulationsFig.6.3StepsfordesigningknowledgebaseStagesforDesigningKB15DateIndentifi-Conceptu-Formal知識化問題圖6.3建立專家系統(tǒng)的步驟合法化概念化形式化規(guī)則化知識概念結(jié)構(gòu)形式規(guī)則再設(shè)計(jì)改進(jìn)重新闡述

專家系統(tǒng)的建造步驟16知識化問題圖6.3建立專家系統(tǒng)的步驟合法化概念化形式化規(guī)則化

建立系統(tǒng)的一般步驟如下1.設(shè)計(jì)初始知識庫問題知識化知識概念化概念形式化形式規(guī)則化規(guī)則合法化2.原型機(jī)（prototype）的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)3.知識庫的改進(jìn)與歸納17建立系統(tǒng)的一般步驟如下1.設(shè)計(jì)初始知識庫176.2Rule-basedExpertSystem

基于規(guī)則的專家系統(tǒng)

6.2.1基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型和結(jié)構(gòu)

知識庫（規(guī)則）工作存儲器（事實(shí)）推理機(jī)1.基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的工作模型圖6.4基于規(guī)則的工作模型186.2Rule-basedExpertSystem

基于規(guī)則的專家系統(tǒng)采用下列

模塊來建立產(chǎn)生式系統(tǒng)的模型：知識庫以一套規(guī)則建立人的長期存儲器模型工作存儲器建立人的短期存儲器模型，存放問題事實(shí)和由規(guī)則激發(fā)而推斷出的新事實(shí)。推理機(jī)借助于把存放在工作存儲器內(nèi)的問題事實(shí)和存放在知識庫內(nèi)的規(guī)則結(jié)合起來，建立人的推理模型，以推斷出新的信息。19基于規(guī)則的專家系統(tǒng)采用下列

模塊來建立產(chǎn)生式系統(tǒng)的模型：知識2.基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解釋器用戶界面開發(fā)界面外部程序工作存儲器推理機(jī)知識庫用戶知識工程師圖6.5基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)202.基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解釋器用戶界面開發(fā)界面外部程序工6.2.2Advantagesofrule-basedexpert

system

優(yōu)點(diǎn)自然表達(dá)控制與知識分離易于擴(kuò)展智能成比例增長相關(guān)知識的使用從嚴(yán)格語法獲取解釋一致性檢查啟發(fā)性知識的使用不確定知識的使用可以合用變量216.2.2Advantagesofrule-ba6.2.2Advantagesofrule-basedexpert

system

缺點(diǎn)必需精確匹配有不清楚的規(guī)則關(guān)系可能慢對一些問題不適用226.2.2Advantagesofrule-ba6.3Frame-basedExpertSystem

基于框架的專家系統(tǒng)

6.3.1基于框架專家系統(tǒng)的定義、結(jié)構(gòu)

和設(shè)計(jì)方法定義6.1基于框架的專家系統(tǒng)是一個計(jì)算機(jī)程序，該程序使用一組包含在知識庫內(nèi)的框架對工作存儲器內(nèi)的具體問題信息進(jìn)行處理，通過推理機(jī)推斷出新的信息。236.3Frame-basedExpertSystem特征名稱值側(cè)面規(guī)則目標(biāo)議程表人類男人女人約翰李勇麗達(dá)王紅類（class）槽(Slots)子類（subclass)例子(instances)規(guī)則(rules)目標(biāo)議程表

(goalagenda)1.基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖6.6人類的框架分層結(jié)構(gòu)24特征名稱值側(cè)面規(guī)則目標(biāo)議程表人類男人女人約翰李勇麗達(dá)王紅類（2.基于框架專家系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)步驟與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)相似,主要差別在于如何看待和使用知識在設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)時，把整個問題和每件事想像為編織起來的事物在辨識事物之后，尋找把這些事物組織起來的方法對于任何類型的專家系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是個高度交互的過程252.基于框架專家系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設(shè)開發(fā)基于框架專家系統(tǒng)的主要任務(wù)定義問題，包括對問題和結(jié)論考察與綜述分析領(lǐng)域，包括定義事物、事物特征、事件和框架結(jié)構(gòu)定義類及其特征定義例及其框架結(jié)構(gòu)確定模式匹配規(guī)則規(guī)定事物通信方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面對系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，深化和擴(kuò)寬知識26開發(fā)基于框架專家系統(tǒng)的主要任務(wù)定義問題，包括對問題和結(jié)論考察

6.3.2基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽

和方法1.基于框架專家系統(tǒng)的繼承定義6.2(繼承)后輩框架呈現(xiàn)其父輩框架的特征的過程。異常處理多重繼承276.3.2基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽

6.3.2基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽

和方法2.基于框架專家系統(tǒng)的槽定義6.3（槽）框架屬性有關(guān)的擴(kuò)展知識。按照下面的方式，槽擴(kuò)展有關(guān)給定系統(tǒng)屬性的信息：類型：定義和屬性相關(guān)的類型；默認(rèn)：定義默認(rèn)值；文檔：提供屬性文檔；約束：定義允許值；286.3.2基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽

按照下面的方式，槽擴(kuò)展有關(guān)給定系統(tǒng)屬性的信息：（續(xù)）最小界限：建立屬性的下限；最大界限：建立屬性的上限；如果需要：指定如果需要屬性值時采取的行為；如果改變：指定如果屬性值改變時采取的行為。3.基于框架專家系統(tǒng)的方法定義6.3（方法）附加到對象中需要時執(zhí)行的過程。29按照下面的方式，槽擴(kuò)展有關(guān)給定系統(tǒng)屬性的信息：（續(xù)）296.4Model-basedExpertSystem

基于模型的專家系統(tǒng)6.4.1基于模型專家系統(tǒng)的提出關(guān)于人工智能的一個觀點(diǎn)綜合各種模型的專家系統(tǒng)比基于邏輯心理模型的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的功能，從而有可能顯著改進(jìn)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在諸多模型中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用最為廣泛306.4Model-basedExpertSyste6.4Model-basedExpertSystem

基于模型的專家系統(tǒng)Thecontribution&limitationofRule-basedESUsevariousqualitativemodelstoAIAnexpertsystemintegratedwithvariousmodels316.4Model-basedExpertSystemFeaturesofthemodel-basedESParallelanddistributedprocessingParallelalgorithms(software)Multiprocessors(hardware)distributedSynchronouscommunicationamongcomponentsSynergeticworkwithmultipleESHigh-leveldescriptivelanguage32Featuresofthemodel-basedESDescribethefunction,performanceandinferenceofESDescribedomainknowledgeforknowledgerepresentationFeaturesofthemodel-basedESSelf-learningfunctionNewinferencetechniquesAdvancedintellectualman-machineinterface33Describethefunction,perform6.4.2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從知識表示、推理機(jī)制到控制方式，與目前專家系統(tǒng)中的基于邏輯的心理模型有本質(zhì)的區(qū)別三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與專家系統(tǒng)集成模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)346.4.2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)知識獲取學(xué)習(xí)示例網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法解釋器專家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用戶知識庫推理機(jī)圖6.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)35神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)知識獲取學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)解釋器專家神經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個問題討論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識表示是一種隱式表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)例學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)知識自動獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理是個正向非線性數(shù)值計(jì)算過程，同時也是一種并行推理機(jī)制同一知識領(lǐng)域的幾個獨(dú)立的專家系統(tǒng)可組合成更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)36神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個問題討論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識表示是一種隱式表6.5Web-basedES

基于Web的專家系統(tǒng)6.5.1基于Web專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于Web專家系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)如圖6.10所示，主要分為3個層次：瀏覽器、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)庫層，這種結(jié)構(gòu)符合3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用戶Web瀏覽器應(yīng)用服務(wù)器Web推理機(jī)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)庫知識庫圖6.10基于Web專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)376.5Web-basedES

基于We1.基于Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)知識庫維護(hù)系統(tǒng)診斷咨詢系統(tǒng)Internet診斷專家系統(tǒng)Web接口推理機(jī)解釋器知識庫（規(guī)則）知識庫（事實(shí)）（a）遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Web瀏覽器Web服務(wù)器ASP文件(使用ADO)ODBC驅(qū)動程序知識庫系統(tǒng)（b）Web用戶存取服務(wù)器專家系統(tǒng)的流程圖6.11 基于Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)381.基于Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)知識庫維護(hù)系2.基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖6.12 基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

客戶端客戶端Web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫服務(wù)器全局推理機(jī)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫全局知識庫Internet/Intranet局部數(shù)據(jù)庫局部推理機(jī)局部知識庫用戶界面接口設(shè)計(jì)用戶設(shè)計(jì)任務(wù)客戶端知識庫維護(hù)系統(tǒng)界面接口客戶端專家知識工程師392.基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖6.12 基于6.5.2基于Web專家系統(tǒng)的實(shí)例1.

基于Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)診斷咨詢系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

Web用戶存取遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下。a．用戶端借助瀏覽器頁面填寫飛機(jī)故障現(xiàn)象表單，指定URL，通過HTTP通信協(xié)議從Web服務(wù)器下載指定的ASP文件。b.Web服務(wù)器判斷ASP文件中是否含有腳本程序（JavaScript或VBScript），若有，則執(zhí)行相應(yīng)的程序（推理機(jī)）。對于那些不是腳本的部分則直接傳給瀏覽器。c.若腳本程序使用了ADO對象，則Web服務(wù)器會根據(jù)ADO對象所設(shè)置的參數(shù)來啟動對應(yīng)的ODBC驅(qū)動程序，然后利用ADO對象訪問專家知識庫。d.根據(jù)推理匹配結(jié)果，由腳本程序利用ASP所做的輸出對象生成Web頁面，從Web服務(wù)器傳遞給客戶端瀏覽器，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)故障的遠(yuǎn)程診斷。知識庫的管理與維護(hù)

406.5.2基于Web專家系統(tǒng)的實(shí)例1.基于Web的飛2.

基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)

知識表示和知識庫

推理機(jī)

基于實(shí)例推理基于規(guī)則的推理實(shí)例檢索

回溯策略

Web數(shù)據(jù)庫訪問

412.基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)知識表示和知識庫416.6NewTypesofES

新型專家系統(tǒng)6.6.1新型專家系統(tǒng)的特征并行與分布處理多專家系統(tǒng)協(xié)同工作高級語言和知識語言描述具有自學(xué)習(xí)功能引入新的推理機(jī)制具有自糾錯和自完善能力先進(jìn)的智能人機(jī)接口426.6NewTypesofES

新6.6.2分布式(distributed)專家系統(tǒng)主要目的：把一個專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解以后分布到多個處理器上去并行地工作，從而在總體上提高系統(tǒng)的處理效率?？梢怨ぷ髟诰o耦合的多處理器系統(tǒng)環(huán)境中，也可工作在松耦合的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，所以其總體結(jié)構(gòu)在很大程度上依賴于其所在的硬件環(huán)境。436.6.2分布式(distributed)專家系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分布式專家系統(tǒng)，需要解決的問題：功能分布把分解得到的系統(tǒng)各部分功能或任務(wù)合理均衡地分配到各處理節(jié)點(diǎn)上去知識分布根據(jù)功能分布的情況把有關(guān)知識經(jīng)合理劃分以后分配到各處理節(jié)點(diǎn)上接口設(shè)計(jì)各部分間接口的設(shè)計(jì)目的是要達(dá)到各部分之間互相通訊和同步容易進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一方面依賴于應(yīng)用的環(huán)境與性質(zhì)，另一方面依賴于其所處的硬件環(huán)境驅(qū)動方式可供選擇的幾種驅(qū)動方式：(1)控制驅(qū)動，(2)數(shù)據(jù)驅(qū)動，(3)需求驅(qū)動，(4)事件驅(qū)動44設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分布式專家系統(tǒng)，需要解決的問題：功能分布把分6.6.3

協(xié)同式(synergetic)專家系統(tǒng)一般專家系統(tǒng)解題的領(lǐng)域面很窄協(xié)同式多專家系統(tǒng)是克服一般專家系統(tǒng)的局限性的一個重要途徑。協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱“群專家系統(tǒng)”456.6.3協(xié)同式(synergetic)專家系統(tǒng)一般專設(shè)計(jì)與建立一個協(xié)同式多專家系統(tǒng)，

需要解決的問題：任務(wù)的分解公共知識的導(dǎo)出討論方式驅(qū)動方式46設(shè)計(jì)與建立一個協(xié)同式多專家系統(tǒng)，

需要解決的問題：任務(wù)的分解6.7

專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為以下兩部分介紹:

以設(shè)計(jì)一個基于規(guī)則的維修咨詢系統(tǒng)為例，說明專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。這一過程包括描述專家知識、應(yīng)用知識和解釋決策等。

專家知識的描述知識的使用和決策解釋476.7專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為以下兩部分介紹:6.7.1

專家知識的描述結(jié)論的表示結(jié)論規(guī)定了所涉及專門知識的范圍觀測的表示觀測是得到結(jié)論所需要的觀察或量測結(jié)果推理規(guī)則的表示產(chǎn)生式規(guī)則是決策規(guī)則最為常用的表示形式,可根據(jù)觀測和假設(shè)之間的邏輯關(guān)系分成3類：(1)FF規(guī)則);(2)FH規(guī)則;(3)HH規(guī)則486.7.1專家知識的描述結(jié)論的表示結(jié)論規(guī)定了所涉及專6.7.2

知識的使用和決策解釋結(jié)論的分級與選擇詢問問題的策略固定的順序根據(jù)具體情況作出某種選擇決策的解釋對系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的解釋對系統(tǒng)使用者的解釋496.7.2知識的使用和決策解釋結(jié)論的分級與選擇496.8專家系統(tǒng)開發(fā)工具專家系統(tǒng)工具是一種更高級的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言現(xiàn)有的專家系統(tǒng)工具，主要分為骨架型工具、語言型工具、構(gòu)造輔助工具和支撐環(huán)境等4類506.8專家系統(tǒng)開發(fā)工具專家系統(tǒng)工具是一種更高級的計(jì)算機(jī)程1.骨架型開發(fā)工具定義只保留原系統(tǒng)獨(dú)立于問題領(lǐng)域知識的推理機(jī)部分形成的工具稱為骨架優(yōu)點(diǎn)使用方便，節(jié)省在開發(fā)系統(tǒng)的過程結(jié)構(gòu)上的時間，提高開發(fā)效率，交互性好，提供很強(qiáng)的對結(jié)果進(jìn)行解釋的功能問題及缺點(diǎn)實(shí)例：EMYCIN

511.骨架型開發(fā)工具定義只保留原系統(tǒng)獨(dú)立于問題領(lǐng)域知識的推2.語言型開發(fā)工具與骨架型的對比優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)變化范圍廣泛，表示靈活，所適應(yīng)的范圍廣泛。問題及缺點(diǎn)：功能上的通用性與使用上的方便性的矛盾造成一些問題和缺點(diǎn)實(shí)例：OPS5、CLIPS等522.語言型開發(fā)工具與骨架型的對比523.構(gòu)造輔助工具主要分兩類設(shè)計(jì)輔助工具，知識獲取輔助工具實(shí)例：AGE系統(tǒng)、TEIRESIAS4.支撐環(huán)境支撐設(shè)施是指幫助進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的工具四個典型組件：調(diào)試輔助工具、輸入輸出設(shè)施、解釋設(shè)施和知識庫編輯器。533.構(gòu)造輔助工具主要分兩類設(shè)計(jì)輔助工具，知識獲取輔助工具6.9Summary小結(jié)本章首先研究了專家系統(tǒng)的基本問題接著討論了基于不同技術(shù)(規(guī)則、框架、模型)建立的專家系統(tǒng)第六節(jié)歸納了新型專家系統(tǒng)第七節(jié)介紹了專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第八節(jié)簡介了4種主要開發(fā)工具546.9Summary小結(jié)本章首先研究了專家系統(tǒng)的基ThankYou世界觸手可及攜手共進(jìn)，齊創(chuàng)精品工程ThankYou世界觸手可及攜手共進(jìn)，齊創(chuàng)精品工程55第7章專家系統(tǒng)人工智能第7章專家系統(tǒng)人工智能56Expertsarepeoplewhoareveryfamiliarwithsolvingspecifictypesofproblems.

Expertsystemisanintelligentcomputerprogramthatcanperformspecialanddifficulttaskinsomefieldatthelevelofhumanexperts.ExpertsystemhasbeenoneofmostactiveandimportantapplicationfieldsofAI.Expertsystemsaremostlydomainspecific.Expertsystemhasaverywidefieldofapplications.6.1

Introduction專家系統(tǒng)概述

WhatisanExpertSystem?57Expertsarepeoplewhoarever6.1Introduction費(fèi)根鮑姆把專家系統(tǒng)定義為一個應(yīng)用知識和推理過程來求解需要大量的人類專家解決難題經(jīng)驗(yàn)的智能計(jì)算機(jī)程序。專家系統(tǒng)是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家才能處理好的復(fù)雜問題。專家系統(tǒng)是模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。專家系統(tǒng)的基本功能取決于它所含有的知識，因此也把專家系統(tǒng)稱為基于知識的系統(tǒng)（knowledge-basedsystem）。586.1Introduction費(fèi)根鮑姆把專家系統(tǒng)定義為一6.1.1

FeatureofExpertSystem(ES)

專家系統(tǒng)的特點(diǎn)Heuristic啟發(fā)性專家系統(tǒng)要解決的問題，其結(jié)構(gòu)往往是不合理的，其問題求解（problem-solving）知識不僅包括理論知識和常識，而且包括專家本人的啟發(fā)知識。

Useheuristicknowledgeofexperttomakeinference,judgment,decisionandconclusion.596.1.1FeatureofExpertSysteTransparency

透明性Expertsystem

caninterpretitsowninferenceprocessandansweruser’squeries,sothatusercanunderstandtheinferenceprocess，enhancethebelievetoES。問題求解過程中知識應(yīng)用的合理性可由檢驗(yàn)專家系統(tǒng)的解釋推理路徑來驗(yàn)證。60Transparency透明性5Flexibility

靈活性AbilitytoextendandenrichtheKB,andself-learningability專家系統(tǒng)的靈活性是指它的擴(kuò)展和豐富知識庫的能力，以及改善非編程狀態(tài)下的系統(tǒng)性能，即自學(xué)習(xí)能力。ReasoningMachinecanselectvariousrelativeknowledgefromKBandconstructproblemsolvingsequencesaccordingtotheparticularsofthespecificsolvedproblems.61Flexibility靈活性6AdvantagesofES

優(yōu)點(diǎn)Providesconsistentanswersforrepetitivedecisions,processesandtasksHoldsandmaintainssignificantlevelsofinformationEncouragesorganizationstoclarifythelogicoftheirdecision-makingNever"forgets"toaskaquestion,asahumanmight62AdvantagesofES優(yōu)點(diǎn)ProvidescAdvantagesofES

優(yōu)點(diǎn)能高效、準(zhǔn)確、周到、迅速和不知疲倦地工作。專家系統(tǒng)解決實(shí)際問題時不受周圍環(huán)境的影響，也不會遺漏和忘記。使專家的專長不受時間和空間的限制，以便推廣珍貴和稀缺的專家知識與經(jīng)驗(yàn)。專家系統(tǒng)能促進(jìn)各領(lǐng)域的發(fā)展，使各領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)得到總結(jié)和精煉，能夠廣泛有力地傳播專家的知識、經(jīng)驗(yàn)和能力。63AdvantagesofES優(yōu)點(diǎn)能高效、準(zhǔn)確、周到、專家系統(tǒng)能匯集多領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)以及他們協(xié)作解決重大問題的能力。軍事專家系統(tǒng)的水平是一個國家國防現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。專家系統(tǒng)的研制和應(yīng)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。研究專家系統(tǒng)能夠促進(jìn)整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。專家系統(tǒng)對人工智能各個領(lǐng)域的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用，并將對科技、經(jīng)濟(jì)、國防、教育、社會和人民生活產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。64專家系統(tǒng)能匯集多領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)以及他們協(xié)作解決重大問題6.1.2Structures&BuildingStep

ofES專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和建造步驟定義：指專家系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)造方法和組織形式專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig6.1SimplifiedblockdiagramofexpertsystemExpertiseKnowledgeBaseInputorQueryReasoningMachineAnswer656.1.2Structures&Building理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖6.2理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖接口用戶事實(shí)規(guī)則計(jì)劃議程中間解黑板知識庫解釋器執(zhí)行器調(diào)度器協(xié)調(diào)器66理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖6.2理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖接口用

IdealArchitectureofESKnowledgeBaseGlobalDatabaseReasoningMachineExplanatorInterface67IdealArchitectureofESKnowlBuildingExpertSystem

專家系統(tǒng)的建造步驟1.DesignofInitialKnowledgeBaseProblemidentificationKnowledgeconceptualizationConceptformulizationRuleformulationRulevalidation68BuildingExpertSystem

專家BuildingExpertSystem

專家系統(tǒng)的建造步驟2.Development&testforprototypesystem3.Improvement&inductionfortheknowledge69BuildingExpertSystem

專家DateAcquisitionIndentifi-cationConceptu-alizationFormali-zationRuleFormalizationValidationKnowledgeConceptsStructureRulesConclusionRepresentationRefinementsReformulationsFig.6.3StepsfordesigningknowledgebaseStagesforDesigningKB70DateIndentifi-Conceptu-Formal知識化問題圖6.3建立專家系統(tǒng)的步驟合法化概念化形式化規(guī)則化知識概念結(jié)構(gòu)形式規(guī)則再設(shè)計(jì)改進(jìn)重新闡述

專家系統(tǒng)的建造步驟71知識化問題圖6.3建立專家系統(tǒng)的步驟合法化概念化形式化規(guī)則化

建立系統(tǒng)的一般步驟如下1.設(shè)計(jì)初始知識庫問題知識化知識概念化概念形式化形式規(guī)則化規(guī)則合法化2.原型機(jī)（prototype）的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)3.知識庫的改進(jìn)與歸納72建立系統(tǒng)的一般步驟如下1.設(shè)計(jì)初始知識庫176.2Rule-basedExpertSystem

基于規(guī)則的專家系統(tǒng)

6.2.1基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型和結(jié)構(gòu)

知識庫（規(guī)則）工作存儲器（事實(shí)）推理機(jī)1.基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的工作模型圖6.4基于規(guī)則的工作模型736.2Rule-basedExpertSystem

基于規(guī)則的專家系統(tǒng)采用下列

模塊來建立產(chǎn)生式系統(tǒng)的模型：知識庫以一套規(guī)則建立人的長期存儲器模型工作存儲器建立人的短期存儲器模型，存放問題事實(shí)和由規(guī)則激發(fā)而推斷出的新事實(shí)。推理機(jī)借助于把存放在工作存儲器內(nèi)的問題事實(shí)和存放在知識庫內(nèi)的規(guī)則結(jié)合起來，建立人的推理模型，以推斷出新的信息。74基于規(guī)則的專家系統(tǒng)采用下列

模塊來建立產(chǎn)生式系統(tǒng)的模型：知識2.基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解釋器用戶界面開發(fā)界面外部程序工作存儲器推理機(jī)知識庫用戶知識工程師圖6.5基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)752.基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解釋器用戶界面開發(fā)界面外部程序工6.2.2Advantagesofrule-basedexpert

system

優(yōu)點(diǎn)自然表達(dá)控制與知識分離易于擴(kuò)展智能成比例增長相關(guān)知識的使用從嚴(yán)格語法獲取解釋一致性檢查啟發(fā)性知識的使用不確定知識的使用可以合用變量766.2.2Advantagesofrule-ba6.2.2Advantagesofrule-basedexpert

system

缺點(diǎn)必需精確匹配有不清楚的規(guī)則關(guān)系可能慢對一些問題不適用776.2.2Advantagesofrule-ba6.3Frame-basedExpertSystem

基于框架的專家系統(tǒng)

6.3.1基于框架專家系統(tǒng)的定義、結(jié)構(gòu)

和設(shè)計(jì)方法定義6.1基于框架的專家系統(tǒng)是一個計(jì)算機(jī)程序，該程序使用一組包含在知識庫內(nèi)的框架對工作存儲器內(nèi)的具體問題信息進(jìn)行處理，通過推理機(jī)推斷出新的信息。786.3Frame-basedExpertSystem特征名稱值側(cè)面規(guī)則目標(biāo)議程表人類男人女人約翰李勇麗達(dá)王紅類（class）槽(Slots)子類（subclass)例子(instances)規(guī)則(rules)目標(biāo)議程表

(goalagenda)1.基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖6.6人類的框架分層結(jié)構(gòu)79特征名稱值側(cè)面規(guī)則目標(biāo)議程表人類男人女人約翰李勇麗達(dá)王紅類（2.基于框架專家系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)步驟與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)相似,主要差別在于如何看待和使用知識在設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)時，把整個問題和每件事想像為編織起來的事物在辨識事物之后，尋找把這些事物組織起來的方法對于任何類型的專家系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是個高度交互的過程802.基于框架專家系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設(shè)開發(fā)基于框架專家系統(tǒng)的主要任務(wù)定義問題，包括對問題和結(jié)論考察與綜述分析領(lǐng)域，包括定義事物、事物特征、事件和框架結(jié)構(gòu)定義類及其特征定義例及其框架結(jié)構(gòu)確定模式匹配規(guī)則規(guī)定事物通信方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面對系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，深化和擴(kuò)寬知識81開發(fā)基于框架專家系統(tǒng)的主要任務(wù)定義問題，包括對問題和結(jié)論考察

6.3.2基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽

和方法1.基于框架專家系統(tǒng)的繼承定義6.2(繼承)后輩框架呈現(xiàn)其父輩框架的特征的過程。異常處理多重繼承826.3.2基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽

6.3.2基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽

和方法2.基于框架專家系統(tǒng)的槽定義6.3（槽）框架屬性有關(guān)的擴(kuò)展知識。按照下面的方式，槽擴(kuò)展有關(guān)給定系統(tǒng)屬性的信息：類型：定義和屬性相關(guān)的類型；默認(rèn)：定義默認(rèn)值；文檔：提供屬性文檔；約束：定義允許值；836.3.2基于框架專家系統(tǒng)的繼承、槽

按照下面的方式，槽擴(kuò)展有關(guān)給定系統(tǒng)屬性的信息：（續(xù)）最小界限：建立屬性的下限；最大界限：建立屬性的上限；如果需要：指定如果需要屬性值時采取的行為；如果改變：指定如果屬性值改變時采取的行為。3.基于框架專家系統(tǒng)的方法定義6.3（方法）附加到對象中需要時執(zhí)行的過程。84按照下面的方式，槽擴(kuò)展有關(guān)給定系統(tǒng)屬性的信息：（續(xù)）296.4Model-basedExpertSystem

基于模型的專家系統(tǒng)6.4.1基于模型專家系統(tǒng)的提出關(guān)于人工智能的一個觀點(diǎn)綜合各種模型的專家系統(tǒng)比基于邏輯心理模型的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的功能，從而有可能顯著改進(jìn)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在諸多模型中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用最為廣泛856.4Model-basedExpertSyste6.4Model-basedExpertSystem

基于模型的專家系統(tǒng)Thecontribution&limitationofRule-basedESUsevariousqualitativemodelstoAIAnexpertsystemintegratedwithvariousmodels866.4Model-basedExpertSystemFeaturesofthemodel-basedESParallelanddistributedprocessingParallelalgorithms(software)Multiprocessors(hardware)distributedSynchronouscommunicationamongcomponentsSynergeticworkwithmultipleESHigh-leveldescriptivelanguage87Featuresofthemodel-basedESDescribethefunction,performanceandinferenceofESDescribedomainknowledgeforknowledgerepresentationFeaturesofthemodel-basedESSelf-learningfunctionNewinferencetechniquesAdvancedintellectualman-machineinterface88Describethefunction,perform6.4.2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從知識表示、推理機(jī)制到控制方式，與目前專家系統(tǒng)中的基于邏輯的心理模型有本質(zhì)的區(qū)別三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與專家系統(tǒng)集成模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)896.4.2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)知識獲取學(xué)習(xí)示例網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法解釋器專家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用戶知識庫推理機(jī)圖6.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)90神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)知識獲取學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)解釋器專家神經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個問題討論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識表示是一種隱式表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)例學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)知識自動獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理是個正向非線性數(shù)值計(jì)算過程，同時也是一種并行推理機(jī)制同一知識領(lǐng)域的幾個獨(dú)立的專家系統(tǒng)可組合成更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)91神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個問題討論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識表示是一種隱式表6.5Web-basedES

基于Web的專家系統(tǒng)6.5.1基于Web專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基于Web專家系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)如圖6.10所示，主要分為3個層次：瀏覽器、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)庫層，這種結(jié)構(gòu)符合3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用戶Web瀏覽器應(yīng)用服務(wù)器Web推理機(jī)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)庫知識庫圖6.10基于Web專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)926.5Web-basedES

基于We1.基于Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)知識庫維護(hù)系統(tǒng)診斷咨詢系統(tǒng)Internet診斷專家系統(tǒng)Web接口推理機(jī)解釋器知識庫（規(guī)則）知識庫（事實(shí)）（a）遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Web瀏覽器Web服務(wù)器ASP文件(使用ADO)ODBC驅(qū)動程序知識庫系統(tǒng)（b）Web用戶存取服務(wù)器專家系統(tǒng)的流程圖6.11 基于Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)931.基于Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)知識庫維護(hù)系2.基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖6.12 基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

客戶端客戶端Web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫服務(wù)器全局推理機(jī)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫全局知識庫Internet/Intranet局部數(shù)據(jù)庫局部推理機(jī)局部知識庫用戶界面接口設(shè)計(jì)用戶設(shè)計(jì)任務(wù)客戶端知識庫維護(hù)系統(tǒng)界面接口客戶端專家知識工程師942.基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖6.12 基于6.5.2基于Web專家系統(tǒng)的實(shí)例1.

基于Web的飛機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷專家系統(tǒng)診斷咨詢系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

Web用戶存取遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下。a．用戶端借助瀏覽器頁面填寫飛機(jī)故障現(xiàn)象表單，指定URL，通過HTTP通信協(xié)議從Web服務(wù)器下載指定的ASP文件。b.Web服務(wù)器判斷ASP文件中是否含有腳本程序（JavaScript或VBScript），若有，則執(zhí)行相應(yīng)的程序（推理機(jī)）。對于那些不是腳本的部分則直接傳給瀏覽器。c.若腳本程序使用了ADO對象，則Web服務(wù)器會根據(jù)ADO對象所設(shè)置的參數(shù)來啟動對應(yīng)的ODBC驅(qū)動程序，然后利用ADO對象訪問專家知識庫。d.根據(jù)推理匹配結(jié)果，由腳本程序利用ASP所做的輸出對象生成Web頁面，從Web服務(wù)器傳遞給客戶端瀏覽器，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)故障的遠(yuǎn)程診斷。知識庫的管理與維護(hù)

956.5.2基于Web專家系統(tǒng)的實(shí)例1.基于Web的飛2.

基于Web的拖網(wǎng)絞機(jī)專家系統(tǒng)

知識表示和知識庫

推理機(jī)

基于實(shí)例推理基于規(guī)則的推理實(shí)例檢索

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