ArtificialIntelligence

2/7/20231第五章專家系統(tǒng)5.1專家系統(tǒng)概述5.5新型專家系統(tǒng)5.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)5.6專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.3基于框架的專家系統(tǒng)5.7專家系統(tǒng)開發(fā)工具5.4基于模型的專家系統(tǒng)5.8專家系統(tǒng)實(shí)例2/7/20232安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.1專家系統(tǒng)概述專家系統(tǒng)(expertsystem)是人工智能應(yīng)用研究最活躍和最廣泛的課題之一定義：是一個(gè)含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)的智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問(wèn)題的方法來(lái)處理該領(lǐng)域問(wèn)題

2/7/20233安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.1.2專家系統(tǒng)的類型

解釋專家系統(tǒng)預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)規(guī)劃專家系統(tǒng)監(jiān)視專家系統(tǒng)控制專家系統(tǒng)調(diào)試專家系統(tǒng)教學(xué)專家系統(tǒng)修理專家系統(tǒng)2/7/20235安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1.解釋專家系統(tǒng)

(expertsystemforinterpretation)任務(wù)

通過(guò)對(duì)過(guò)去和現(xiàn)在已知狀況的分析，推斷未來(lái)可能發(fā)生的情況特點(diǎn)數(shù)據(jù)量很大，常不準(zhǔn)確、有錯(cuò)誤、不完全能從不完全的信息中得出解釋，并能對(duì)數(shù)據(jù)做出某些假設(shè)推理過(guò)程可能很復(fù)雜和很長(zhǎng)例子

語(yǔ)音理解、圖象分析、系統(tǒng)監(jiān)視、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析和信號(hào)解釋等2/7/20236安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)

(expertsystemforprediction)任務(wù)

通過(guò)對(duì)已知信息和數(shù)據(jù)的分析與解釋，確定它們的涵義。特點(diǎn)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化，且可能是不準(zhǔn)確和不完全系統(tǒng)需要有適應(yīng)時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)模型例子

有氣象預(yù)報(bào)、軍事預(yù)測(cè)等2/7/20237安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院4.設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)

(expertsystemfordesign)任務(wù)

尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟特點(diǎn)從多種約束中得到符合要求的設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間能試驗(yàn)性地構(gòu)造出可能設(shè)計(jì)，易于修改能夠使用已有設(shè)計(jì)來(lái)解釋當(dāng)前新的設(shè)計(jì)例子

VAX計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)等2/7/20239安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.規(guī)劃專家系統(tǒng)

(expertsystemforplanning)任務(wù)

尋找出某個(gè)能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟特點(diǎn)所要規(guī)劃的目標(biāo)可能是動(dòng)態(tài)的或靜態(tài)的，需要對(duì)未來(lái)動(dòng)作做出預(yù)測(cè)所涉及的問(wèn)題可能很復(fù)雜例子軍事指揮調(diào)度系統(tǒng)、ROPES機(jī)器人規(guī)劃專家系統(tǒng)、汽車和火車運(yùn)行調(diào)度專家系統(tǒng)等。2/7/202310安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院6.監(jiān)視專家系統(tǒng)

(expertsystemformonitoring)任務(wù)對(duì)系統(tǒng)、對(duì)象或過(guò)程的行為進(jìn)行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應(yīng)當(dāng)具有的行為進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報(bào)特點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)具有快速反應(yīng)能力系統(tǒng)發(fā)出的警報(bào)要有很高的準(zhǔn)確性系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地處理其輸入信息例子

防空監(jiān)視、蟲害測(cè)報(bào)專家系統(tǒng)2/7/202311安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院8.調(diào)試專家系統(tǒng)

(expertsystemfordebugging)

任務(wù)

對(duì)失靈的對(duì)象給出處理意見和方法特點(diǎn)

同時(shí)具有規(guī)劃、設(shè)計(jì)、預(yù)報(bào)和診斷等專家系統(tǒng)的功能例子在這方面的實(shí)例還比較少見。程序調(diào)試。2/7/202313安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院9.教學(xué)專家系統(tǒng)

(expertsystemforinstruction)任務(wù)

根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，以適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和輔導(dǎo)特點(diǎn)同時(shí)具有診斷和調(diào)試等功能具有良好的人機(jī)界面例子

MACSYMA符號(hào)積分與定理證明系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和物理智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)等2/7/202314安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院10.修理專家系統(tǒng)

(expertsystemforrepair)

任務(wù)

對(duì)發(fā)生故障的對(duì)象(系統(tǒng)或設(shè)備)進(jìn)行處理，使其恢復(fù)正常工作功能

有診斷、調(diào)試、計(jì)劃和執(zhí)行等功能例子

電視維護(hù)修理系統(tǒng)2/7/202315安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院理想專家系統(tǒng)圖5.2則為理想專家系統(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(shí)庫(kù)解釋器執(zhí)行器調(diào)度器協(xié)調(diào)器2/7/202317安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一般應(yīng)用程序與專家系統(tǒng)的區(qū)別：一般應(yīng)用程序

專家系統(tǒng)把問(wèn)題求解的知識(shí)隱含地編入程序。把知識(shí)組織為兩級(jí)：數(shù)據(jù)級(jí)和程序級(jí)。把其應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題求解知識(shí)單獨(dú)組成一個(gè)實(shí)體。即為知識(shí)庫(kù)。將知識(shí)組織成三級(jí)；數(shù)據(jù)、知識(shí)庫(kù)和控制。2/7/202318安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院知識(shí)化問(wèn)題圖5.3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(shí)概念結(jié)構(gòu)形式規(guī)則再設(shè)計(jì)改進(jìn)重新闡述2.專家系統(tǒng)的建造步驟2/7/202319安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.2基于規(guī)則的專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)（規(guī)則）工作存儲(chǔ)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5.4基于規(guī)則的工作模型2/7/202321安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院基于規(guī)則的專家系統(tǒng)采用下列

模塊來(lái)建立產(chǎn)生式系統(tǒng)的模型：知識(shí)庫(kù)

以一套規(guī)則建立人的長(zhǎng)期存儲(chǔ)器模型工作存儲(chǔ)器

建立人的短期存儲(chǔ)器模型，存放問(wèn)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(chǔ)器內(nèi)的問(wèn)題事實(shí)和存放在知識(shí)庫(kù)內(nèi)的規(guī)則結(jié)合起來(lái)，建立人的推理模型，以推斷出新的信息2/7/202322安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院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(chǔ)器推理機(jī)知識(shí)庫(kù)用戶知識(shí)工程師圖5.5基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2/7/202323安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院特征名稱值側(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)2.基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖5.6人類的框架分層結(jié)構(gòu)2/7/202325安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院3.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(shí)在設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)時(shí)，把整個(gè)問(wèn)題和每件事想像為編織起來(lái)的事物在辨識(shí)事物之后，尋找把這些事物組織起來(lái)的方法對(duì)于任何類型的專家系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是個(gè)高度交互的過(guò)程2/7/202326安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)知識(shí)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(shí)庫(kù)推理機(jī)圖5.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2/7/202329安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個(gè)問(wèn)題討論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)表示是一種隱式表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)實(shí)例學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理是個(gè)正向非線性數(shù)值計(jì)算過(guò)程，同時(shí)也是一種并行推理機(jī)制同一知識(shí)領(lǐng)域的幾個(gè)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)2/7/202330安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.5新型專家系統(tǒng)5.5.1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(jí)語(yǔ)言和知識(shí)語(yǔ)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(cuò)和自完善能力

先進(jìn)的智能人機(jī)接口2/7/202331安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.5.2分布式專家系統(tǒng)主要目的：把一個(gè)專家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解以后分布到多個(gè)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。2/7/202332安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分布式專家系統(tǒng)，需要解決的問(wèn)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(shí)分布

根據(jù)功能分布的情況把有關(guān)知識(shí)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(dòng)方式

可供選擇的幾種驅(qū)動(dòng)方式(1)控制驅(qū)動(dòng)(2)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)(3)需求驅(qū)動(dòng)(4)事件驅(qū)動(dòng)2/7/202333安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.5.3協(xié)同式專家系統(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(gè)重要途徑。協(xié)同式多專家系統(tǒng)亦可稱“群專家系統(tǒng)”2/7/202334安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)與建立一個(gè)協(xié)同式多專家系統(tǒng)，

需要解決的問(wèn)題：任務(wù)的分解公共知識(shí)的導(dǎo)出討論方式：黑板裁決問(wèn)題：如少數(shù)服從多數(shù)、加權(quán)法等驅(qū)動(dòng)方式2/7/202335安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.6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(gè)基于規(guī)則的維修咨詢系統(tǒng)為例，說(shuō)明專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。這一過(guò)程包括描述專家知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)和解釋決策等。專家知識(shí)的描述知識(shí)的使用和決策解釋2/7/202336安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.6.1專家知識(shí)的描述結(jié)論的表示結(jié)論規(guī)定了所涉及專門知識(shí)的范圍觀測(cè)的表示觀測(cè)是得到結(jié)論所需要的觀察或量測(cè)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(cè)和假設(shè)之間的邏輯關(guān)系分成3類：1)從觀測(cè)到觀測(cè)的規(guī)則（FF規(guī)則）FactFF規(guī)則規(guī)定那些可從已確定的觀測(cè)直接推導(dǎo)出來(lái)的觀測(cè)的真值。因?yàn)橥ㄟ^(guò)把觀測(cè)和假設(shè)相組合可以描述功能更強(qiáng)的產(chǎn)生式規(guī)則形式。2)從觀測(cè)到假設(shè)的規(guī)則（FH規(guī)則）Hypothesis在許多用于分類的專家系統(tǒng)中，產(chǎn)生式規(guī)則可對(duì)產(chǎn)生式結(jié)論的可信程度進(jìn)行量度。3)從假設(shè)到假設(shè)的規(guī)則（HH規(guī)則）HH(從假設(shè)到假設(shè))規(guī)則用來(lái)規(guī)定假設(shè)之間的推理。2/7/202337安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.6.2知識(shí)的使用和決策解釋結(jié)論的分級(jí)與選擇詢問(wèn)問(wèn)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(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的解釋對(duì)系統(tǒng)使用者的解釋2/7/202338安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5.7專家系統(tǒng)開發(fā)工具專家系統(tǒng)工具是一種更高級(jí)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言現(xiàn)有的專家系統(tǒng)工具，主要分為:骨架型工具：知識(shí)庫(kù)以外的部分；語(yǔ)言型工具：OPS5、CLIPS構(gòu)造輔助工具：設(shè)計(jì)輔助工具、知識(shí)獲取輔助工具支撐環(huán)境：調(diào)試、輸入輸出、解釋、知識(shí)庫(kù)編輯2/7/202339安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1.骨架型開發(fā)工具定義

只保留原系統(tǒng)獨(dú)立于問(wèn)題領(lǐng)域知識(shí)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(guò)程結(jié)構(gòu)上的時(shí)間，提高開發(fā)效率，交互性好，提供很強(qiáng)的對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋的功能問(wèn)題及缺點(diǎn)不靈活實(shí)例EMYCIN2/7/202340安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2.語(yǔ)言型開發(fā)工具與骨架型的對(duì)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?jiǎn)栴}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(wèn)題和缺點(diǎn)實(shí)例

OPS5、CLIPS等2/7/202341安徽大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院3.構(gòu)造輔助工具主要分兩類設(shè)計(jì)輔助工具，知