專家控制系統(tǒng)ExpertControlSystem第四章專家控制系統(tǒng)Ch44.1專家系統(tǒng)的基本概念4.2專家系統(tǒng)的主要類型與基本結(jié)構(gòu)4.3專家系統(tǒng)的建立4.4專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)專家控制系統(tǒng)Ch44.1專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的基本概念4.1專家系統(tǒng)的研究領(lǐng)域及定義專家系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)專家系統(tǒng)的基本概念4.1專家系統(tǒng)的研究領(lǐng)域及定義

專家系統(tǒng)是一類基于大量的領(lǐng)域?qū)ｉT知識與經(jīng)驗(yàn)的計算機(jī)程序系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用了人工智能技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域內(nèi)一個或多個領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑拇罅恐R和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)耐评砗团袛啵M人類專家的決策過程，從而解決那些需要人類專家處理的大量復(fù)雜問題。專家系統(tǒng)的基本概念4.1專家系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)專家系統(tǒng)的特點(diǎn)具有人類專家水平的知識能進(jìn)行有效的推理具有啟發(fā)性具有靈活性具有透明性具有交互性專家系統(tǒng)的基本概念4.1專家系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)專家系統(tǒng)能夠高效、準(zhǔn)確、周到、迅速和不知疲倦地進(jìn)行工作。專家系統(tǒng)在解決實(shí)際問題時不受周圍環(huán)境的影響，也不可能被遺漏忘記。不受時間和空間的限制，專家知識與經(jīng)驗(yàn)便于被推廣。專家系統(tǒng)能促進(jìn)各領(lǐng)域的發(fā)展，它使各領(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。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，它擁有更淵博的知識、更豐富的經(jīng)驗(yàn)和更強(qiáng)的工作能力。研究專家系統(tǒng)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，能夠促進(jìn)整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。專家控制系統(tǒng)Ch44.2專家系統(tǒng)的主要類型與基本結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的主要類型與基本結(jié)構(gòu)4.2專家系統(tǒng)的主要類型專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的主要類型與基本結(jié)構(gòu)4.2專家系統(tǒng)的主要分類基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)基于web的專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)的主要類型與基本結(jié)構(gòu)4.2專家系統(tǒng)的主要分類基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)基于web的專家系統(tǒng)1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的工作模式1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的實(shí)例假設(shè)這個專家系統(tǒng)旨在診斷常見的感冒和流感癥狀。疾病診斷專家系統(tǒng)

規(guī)則1：如果患者有發(fā)熱、咳嗽和流涕癥狀，且體溫高于38攝氏度，那么可能是流感。

規(guī)則2：如果患者有咳嗽、流涕，但體溫正常，那么可能是普通感冒。

規(guī)則3：如果患者有發(fā)熱、咳嗽，但沒有流涕，且伴有肌肉酸痛，那么可能是流感。當(dāng)患者輸入自己的癥狀，如“發(fā)熱39攝氏度，咳嗽，流涕”，系統(tǒng)會根據(jù)規(guī)則1判斷患者可能是流感。

再比如，患者輸入“咳嗽，流涕，體溫36.5攝氏度”，系統(tǒng)則會依據(jù)規(guī)則2診斷為普通感冒。

基于規(guī)則的專家系統(tǒng)通過這樣明確的規(guī)則來進(jìn)行推理和判斷，從而提供相應(yīng)的結(jié)論和建議。1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)疾病診斷專家系統(tǒng)（1）知識庫（2）推理機(jī)（3）存儲器在實(shí)際構(gòu)建疾病診斷專家系統(tǒng)的知識庫時，需要更詳細(xì)、準(zhǔn)確和全面的規(guī)則，并且要不斷更新和完善，以適應(yīng)醫(yī)學(xué)知識的發(fā)展和變化。同時，還需要考慮癥狀的嚴(yán)重程度、患者的年齡、病史、接觸史等多種因素。推理機(jī)是疾病診斷專家系統(tǒng)的核心組件之一，負(fù)責(zé)根據(jù)知識庫中的規(guī)則和輸入的患者癥狀等信息進(jìn)行推理和判斷，得出診斷結(jié)論。存儲各種相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的知識庫組成：疾病知識庫：存儲各種疾病的癥狀、體征、診斷標(biāo)準(zhǔn)、治療方案等詳細(xì)信息。患者病例數(shù)據(jù)：過往患者的診斷記錄、癥狀描述、檢查結(jié)果等，用于機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識別。癥狀描述詞匯庫：涵蓋各種可能的癥狀表述和相關(guān)的關(guān)鍵詞。醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)：如X光、CT、MRI等圖像，以及對這些圖像的分析和標(biāo)注。診斷規(guī)則和算法：用于推理和判斷疾病的邏輯規(guī)則和數(shù)學(xué)算法。藥物信息：包括藥物的名稱、功效、副作用、適用癥等。醫(yī)療文獻(xiàn)和研究成果：最新的醫(yī)學(xué)研究報告、學(xué)術(shù)論文等，以保證診斷系統(tǒng)的知識更新。1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)推理機(jī)的工作流程通常包括以下幾個步驟：接收輸入：獲取用戶在用戶界面輸入的癥狀、身體部位、發(fā)作時間、過往病史等信息。知識匹配：將輸入的信息與系統(tǒng)中存儲的疾病診斷知識和規(guī)則進(jìn)行匹配和比較。推理判斷：根據(jù)匹配結(jié)果和邏輯規(guī)則，進(jìn)行推理和分析，例如判斷哪些癥狀組合可能指向特定的疾病，或者排除不符合癥狀的疾病。生成診斷：綜合所有的推理和判斷，生成可能的疾病診斷列表，并按照可能性大小進(jìn)行排序。輸出結(jié)果：將診斷結(jié)果傳遞給用戶界面，向用戶展示診斷結(jié)果和相關(guān)的建議。1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)疾病診斷專家系統(tǒng)的存儲器主要用于存儲以下關(guān)鍵信息：癥狀信息：包括各種疾病可能出現(xiàn)的癥狀描述、癥狀的組合模式等。疾病數(shù)據(jù)：不同疾病的名稱、分類、特點(diǎn)、發(fā)病概率等詳細(xì)資料。診斷規(guī)則：用于推斷疾病的邏輯規(guī)則和算法，例如癥狀與疾病的關(guān)聯(lián)規(guī)則?；颊卟±哼^往患者的診斷記錄、癥狀表現(xiàn)、檢查結(jié)果、治療方案和最終診斷結(jié)果等。醫(yī)學(xué)知識：如病理生理知識、藥理知識、檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)知識等。檢查數(shù)據(jù)：各類醫(yī)學(xué)檢查（如血液檢查、影像學(xué)檢查等）的正常范圍和異常表現(xiàn)。治療方案庫：針對不同疾病的推薦治療手段和藥物信息。1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的工作模式1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用戶界面開發(fā)界面解釋器外部程序1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的特點(diǎn)自然表達(dá)控制與知識分離知識模塊化易于擴(kuò)展智能會成比例增長相關(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性知識的使用1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的缺點(diǎn)必須精確匹配有不清楚的規(guī)則關(guān)系可能比較慢對一些問題不適用專家系統(tǒng)的主要類型與基本結(jié)構(gòu)4.2專家系統(tǒng)的主要分類基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)基于web的專家系統(tǒng)2基于框架的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)就是建立在框架理論的基礎(chǔ)之上的，即采用框架而不是采用規(guī)則來表示知識?？蚣鼙硎痉椒ㄌ峁┮环N比規(guī)則更豐富的獲取問題知識的方法，不僅提供某些目標(biāo)的描述，而且還規(guī)定實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)究竟如何工作。2基于框架的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)的實(shí)例汽車故障診斷專家系統(tǒng)

故障名稱可能癥狀發(fā)動機(jī)故障發(fā)動機(jī)抖動、動力不足、啟動困難電氣系統(tǒng)故障車燈不亮、儀表盤故障顯示、電池沒電制動系統(tǒng)故障剎車失靈、制動距離變長、剎車時有異響2基于框架的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的主要類型與基本結(jié)構(gòu)4.2專家系統(tǒng)的主要分類基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)基于web的專家系統(tǒng)3基于模型的專家系統(tǒng)前面討論過的基于規(guī)則的專家系統(tǒng)和基于框架的專家系統(tǒng)都是以邏輯心理模型為基礎(chǔ)的，是采用規(guī)則邏輯或框架邏輯，并以邏輯作為描述啟發(fā)式知識的工具而建立的計算機(jī)程序系統(tǒng)。綜合各種模型的專家系統(tǒng)無論在知識表示、知識獲取還是知識應(yīng)用上都比那些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。3基于模型的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)的實(shí)例基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)是一類具有建模特色的基于模型的專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)的主要類型與基本結(jié)構(gòu)4.2專家系統(tǒng)的主要分類基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)基于模型的專家系統(tǒng)基于web的專家系統(tǒng)4基于web的專家系統(tǒng)隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，web逐步成為大多數(shù)軟件用戶的交互接口，軟件逐步走向網(wǎng)絡(luò)化?；谶@個趨勢，專家系統(tǒng)的用戶界面已逐步向web靠攏，專家系統(tǒng)的知識庫和推理機(jī)也都逐步和web接口交互起來。web已成為專家系統(tǒng)一個新的重要特征。4基于web的專家系統(tǒng)基于web的專家系統(tǒng)的實(shí)例植物病害診斷專家系統(tǒng)（1）系統(tǒng)功能用戶通過上傳植物病害的圖片或描述癥狀，系統(tǒng)根據(jù)這些信息進(jìn)行分析和診斷，并給出可能的病害名稱及防治建議。（2）系統(tǒng)架構(gòu)web瀏覽器：用戶通過瀏覽器與系統(tǒng)交互，上傳圖片或輸入癥狀描述。web推理機(jī)：包含推理機(jī)核心邏輯，處理請求和執(zhí)行推理。數(shù)據(jù)庫：存儲植物病害的相關(guān)信息、圖片等數(shù)據(jù)。知識庫：包括各種植物病害的特征、癥狀表現(xiàn)、發(fā)病原因、防治方法等知識。4基于web的專家系統(tǒng)基于web的專家系統(tǒng)的實(shí)例植物病害診斷專家系統(tǒng)（3）診斷流程：1）用戶在web瀏覽器提交癥狀信息或圖片。2）系統(tǒng)將這些信息發(fā)送到web推理機(jī)。3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器利用知識庫中的規(guī)則和模式匹配算法，對癥狀進(jìn)行分析和診斷。4）系統(tǒng)生成診斷結(jié)果和防治建議，并返回給前端頁面展示給用戶。4基于web的專家系統(tǒng)基于web的專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)便捷性與普及性集中管理與維護(hù)跨平臺支持信息共享與協(xié)作用戶友好的界面4基于web的專家系統(tǒng)基于web的專家系統(tǒng)具有以下屬性知識表示推理機(jī)制用戶界面知識庫管理分布式特性可擴(kuò)展性安全性實(shí)時性解釋能力跨平臺性專家控制系統(tǒng)Ch44.3專家系統(tǒng)的建立專家系統(tǒng)的建立4.3專家系統(tǒng)的建立原則專家系統(tǒng)的建立步驟專家系統(tǒng)的建立4.3專家系統(tǒng)的建立原則知識的準(zhǔn)確性與可靠性原則知識的完整性原則可維護(hù)性與可擴(kuò)展性原則人機(jī)交互友好原則高效性原則驗(yàn)證與測試原則專家系統(tǒng)的建立4.3專家系統(tǒng)的建立步驟

專家系統(tǒng)的建立步驟一般分為確定領(lǐng)域和目標(biāo)階段、知識獲取階段、構(gòu)建知識庫階段、設(shè)計推理機(jī)制階段、開發(fā)用戶界面階段、測試階段和維護(hù)和更新階段。確定領(lǐng)域和目標(biāo)階段知識獲取階段構(gòu)建知識庫階段設(shè)計推理機(jī)制階段開發(fā)用戶界面階段測試階段維護(hù)和更新階段專家系統(tǒng)的建立4.3專家控制系統(tǒng)Ch44.4專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.4專家控制系統(tǒng)的特點(diǎn)專家控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)專家控制器的設(shè)計與應(yīng)用專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.4專家控制系統(tǒng)的特點(diǎn)專家控制

專家控制是智能控制的一個重要分支，又稱專家智能控制。所謂專家控制，是將專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同控制理論、方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。專家控制試圖在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上引入一個富有經(jīng)驗(yàn)的控制工程師，實(shí)現(xiàn)控制的功能，它由知識庫和推理機(jī)構(gòu)構(gòu)成主體框架，通過對控制領(lǐng)域知識（先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、動態(tài)信息、目標(biāo)等）的獲取與組織，按某種策略及時地選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則進(jìn)行推理輸出，實(shí)現(xiàn)對實(shí)際對象的控制。專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.4專家控制系統(tǒng)的特點(diǎn)專家系統(tǒng)與專家控制系統(tǒng)的差別

專家系統(tǒng)通常以離線方式進(jìn)行工作，只對專門領(lǐng)域的問題完成咨詢作用，協(xié)助用戶進(jìn)行工作。專家系統(tǒng)的推理是以知識為基礎(chǔ)的，其推理結(jié)果為知識項(xiàng)、新知識項(xiàng)或?qū)υR項(xiàng)的變更知識項(xiàng)。然而，專家控制系統(tǒng)需要獲取在線動態(tài)信息，并對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時控制，需要獨(dú)立和自動地對控制作用做出決策，其推理結(jié)果可為變更的知識項(xiàng)，或?yàn)閱樱▓?zhí)行）的某些解析算法。專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.4專家控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.4專家控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)出口信箱

將控制配量命令、控制算法的參數(shù)變更值以及信息發(fā)送請求從知識基系統(tǒng)送往數(shù)值算法部分。在一個工業(yè)自動化生產(chǎn)線上，專家控制系統(tǒng)需要根據(jù)生產(chǎn)線上的傳感器數(shù)據(jù)和生產(chǎn)計劃，實(shí)時調(diào)整生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。出口信箱可以將專家系統(tǒng)生成的控制命令和參數(shù)變更值發(fā)送給生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的實(shí)時控制。例如，當(dāng)專家系統(tǒng)檢測到生產(chǎn)線上的某個設(shè)備出現(xiàn)故障時，它可以通過出口信箱向設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送停機(jī)命令，以避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。同時，專家系統(tǒng)還可以通過出口信箱向維修人員發(fā)送維修請求，以便及時修復(fù)設(shè)備故障。專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.4專家控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)入口信箱

將算法執(zhí)行結(jié)果、檢測預(yù)報信號、對于信息發(fā)送請求的答案、用戶命令以及定時中斷信號分別從數(shù)值算法庫、人—機(jī)接口及定時操作部分送往知識基系統(tǒng)。這些信息具有優(yōu)先級說明，并形成先人先出的隊(duì)列。在知識基系統(tǒng)內(nèi)部另有一個信箱，進(jìn)人的信息按照優(yōu)先級排序插入待處理信息，以便盡快處理最主要的問題。專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.4專家控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)答信箱傳送數(shù)值算法對知識基系統(tǒng)的信息發(fā)送請求的通信應(yīng)答信號。解釋信箱傳送知識基系統(tǒng)發(fā)出的人－機(jī)通信結(jié)果，包括用戶對知識庫的編輯、查詢、算法執(zhí)行原因、推理結(jié)果、推理過程跟蹤等系統(tǒng)運(yùn)行情況的解釋。定時器信箱用于發(fā)送知識基子系統(tǒng)內(nèi)部推理過程需要的定時等待信號，供定時操作部分處理。專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)4.4專家控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用專家控制系統(tǒng)的控制要求（1）運(yùn)行可靠性高（2）決策能力強(qiáng)（3）應(yīng)用通用性好（4）控制與處理的靈活