第7章 专家系统72725.ppt
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1、第第75章章专家系统专家系统7.1专家系统概述专家系统概述1.定义定义专家系统是一个含有大量的某个领域专家水专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验的智能计算机程序系统平的知识与经验的智能计算机程序系统,能够能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的高水平难题。简而言之该领域的高水平难题。简而言之,专家系统是专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。系统。2.专家系统的特点专家系统的特点(1)启发性启发性专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、专家系统能运用专家的知识与经验进行推
2、理、判断和决策。判断和决策。(2)透明性透明性专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题提出的问题,以便让用户能够了解推理过程以便让用户能够了解推理过程,增大增大对专家系统的信赖感。对专家系统的信赖感。(3)灵活性灵活性专家系统能不断地增加知识专家系统能不断地增加知识,修改原有知识修改原有知识,不不断更新。断更新。(4)符号操作符号操作专家系统强调符号处理和符号操作专家系统强调符号处理和符号操作(运算运算),使用使用符号表示知识符号表示知识,用符号集合表示问题的概念。用符号集合表示问题的概念。(5)不确定性推理不确定性推理专家系统能够综合应用模糊
3、和不确定的信息与专家系统能够综合应用模糊和不确定的信息与知识知识,进行推理。进行推理。3.专家系统的优点专家系统的优点具体地说具体地说,包括下列八个方面包括下列八个方面:(1)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。不知疲倦地进行工作。(2)专家系统解决实际问题时不受周围环境的影专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响响,也不可能遗漏忘记。也不可能遗漏忘记。(3)可以使专家的专长不受时间和空间的限制可以使专家的专长不受时间和空间的限制,以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。(4)专家系统能促进各领域的发展
4、。专家系统能促进各领域的发展。(5)专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力。及他们协作解决重大问题的能力。(6)军事专家系统的水平是一个国家国防现代化军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一。的重要标志之一。(7)专家系统的研制和应用专家系统的研制和应用,具有巨大的经济效具有巨大的经济效益和社会效益。益和社会效益。(8)研究专家系统能够促进整个科学技术的发展研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。7.1.1专家系统的结构和类型专家系统的结构和类型1.专家系统的简化结构专家系统的简化结构专家系统是一个含有大量的某个领域
5、专家水平的知专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验的智能计算机程序系统识与经验的智能计算机程序系统,能够利用人类专家的能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的高水平难题。简知识和解决问题的方法来处理该领域的高水平难题。简而言之而言之,专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。计算机程序系统。2.理想专家系统的结构理想专家系统的结构接口接口是人与系统进行信息交流的媒介是人与系统进行信息交流的媒介,它为用户提供它为用户提供了直观方便的交互作用手段。了直观方便的交互作用手段。黑板黑板是用来记录系统推理过程中用到的控制信息
6、、中是用来记录系统推理过程中用到的控制信息、中间假设和中间结果的数据库。它包括计划、议程和中间间假设和中间结果的数据库。它包括计划、议程和中间解三部分。解三部分。知识库知识库包括两部分内容。一部分是已知的同当前问题包括两部分内容。一部分是已知的同当前问题有关的数据信息有关的数据信息;另一部分是进行推理时要用到的一般另一部分是进行推理时要用到的一般知识和领域知识。知识和领域知识。调度器调度器按照系统建造者所给的控制知识按照系统建造者所给的控制知识,从议程中选从议程中选择一个项作为系统下一步要执行的动作。执行器应用知择一个项作为系统下一步要执行的动作。执行器应用知识库中的及黑板中记录的信息识库中的
7、及黑板中记录的信息,执行调度器所选定的动执行调度器所选定的动作。协调器的主要作用就是当得到新数据或新假设时作。协调器的主要作用就是当得到新数据或新假设时,对已得到的结果进行修正对已得到的结果进行修正,以保持结果前后的一致性。以保持结果前后的一致性。解释器解释器的功能是向用户解释系统的行为的功能是向用户解释系统的行为,包括解释结包括解释结论的正确性及系统输出其它候选解的原因。论的正确性及系统输出其它候选解的原因。3.一般应用程序与专家系统的区别一般应用程序与专家系统的区别一般应用程序与专家系统的区别在于一般应用程序与专家系统的区别在于:前前者把问题求解的知识隐含地编入程序者把问题求解的知识隐含地
8、编入程序,而后而后者则把其应用领域的问题求解知识单独组者则把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体成一个实体,即为知识库。知识库的处理是即为知识库。知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的。更通过与知识库分开的控制策略进行的。更明确地说明确地说,一般应用程序把知识组织为两级一般应用程序把知识组织为两级:数据级和程序级数据级和程序级;大多数专家系统则将知大多数专家系统则将知识组织成三级识组织成三级;数据、知识库和控制。数据、知识库和控制。4.专家系统的主要组成部分如下专家系统的主要组成部分如下:(1)知识库知识库(knowledgebase)知识库用于存储某领域专家系统的专门知识知识库用
9、于存储某领域专家系统的专门知识,包包括事实、可行操作与规则等。括事实、可行操作与规则等。(2)综合数据库综合数据库(globaldatabase)综合数据库又称全局数据库或总数据库综合数据库又称全局数据库或总数据库,它用于它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据中间数据(信息信息),即被处理对象的一些当前事实。即被处理对象的一些当前事实。(3)推理机推理机(reasoningmachine)推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序序,使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。使整个专家系统能够以逻
10、辑方式协调地工作。推理机能够根据知识进行推理和导出结论推理机能够根据知识进行推理和导出结论,而不是而不是简单地搜索现成的答案。简单地搜索现成的答案。(4)解释器解释器(explainator)解释器能够向用户解释专家系统的行为解释器能够向用户解释专家系统的行为,包括解释推理结论的正确性以及系统输出包括解释推理结论的正确性以及系统输出其它候选解的原因。其它候选解的原因。(5)接口接口(interface)接口又称界面接口又称界面,它能够使系统与用户进行它能够使系统与用户进行对话对话,使用户能够输入必要的数据、提出问使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等。系统则题和了解推理过
11、程及推理结果等。系统则通过接口通过接口,要求用户回答提问要求用户回答提问,并回答用户并回答用户提出的问题提出的问题,进行必要的解释。进行必要的解释。5.专家系统的类型专家系统的类型(1)解释专家系统解释专家系统任务任务通过对已知信息和数据的分析与解释通过对已知信息和数据的分析与解释,确定它确定它们的涵义。们的涵义。特点特点数据量很大数据量很大,常不准确、有错误、不完全能从常不准确、有错误、不完全能从不完全的信息中得出解释不完全的信息中得出解释,并能对数据做出某些假设并能对数据做出某些假设,推理过程可能很复杂和很长。推理过程可能很复杂和很长。(2)预测专家系统预测专家系统任务任务通过对过去和现在
12、已知状况的分析通过对过去和现在已知状况的分析,推断未来推断未来可能发生的情况。可能发生的情况。特点特点系统处理的数据随时间变化系统处理的数据随时间变化,且可能是不准确且可能是不准确和不完全和不完全,系统需要有适应时间变化的动态模型。系统需要有适应时间变化的动态模型。(3)诊断专家系统诊断专家系统任务任务根据观察到的情况根据观察到的情况(数据数据)来推断出某个对象机来推断出某个对象机能失常能失常(即故障即故障)的原因。的原因。特点特点能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系以及它们之间的联系,能够区分一种现象及其所掩盖的能够区分一种现象及
13、其所掩盖的另一种现象另一种现象,能够向用户提出测量的数据能够向用户提出测量的数据,并从不确切信并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断。息中得出尽可能正确的诊断。(4)设计专家系统设计专家系统任务任务根据设计要求根据设计要求,求出满足设计问题约束的目标配求出满足设计问题约束的目标配置。置。特点特点从多种约束中得到符合要求的设计从多种约束中得到符合要求的设计;系统需要检系统需要检索较大的可能解空间索较大的可能解空间;能试验性地构造出可能设计能试验性地构造出可能设计;易于易于修改修改;能够使用已有设计来解释当前新的设计。能够使用已有设计来解释当前新的设计。(5)规划专家系统规划专家系统任务任务寻出某个
14、能够达到给定目标的动作序列或步骤。寻出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。特点特点所要规划的目标可能是动态的或静态的所要规划的目标可能是动态的或静态的,需要对需要对未来动作做出预测未来动作做出预测,所涉及的问题可能很复杂。所涉及的问题可能很复杂。(6)监视专家系统监视专家系统任务任务对系统、对象或过程的行为进行不断观察对系统、对象或过程的行为进行不断观察,并把并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较观察到的行为与其应当具有的行为进行比较,以发现异以发现异常情况常情况,发出警报。发出警报。特点特点系统具有快速反应能力系统具有快速反应能力,发出的警报要有很高的发出的警报要有很高的准确性准确性,
15、能够动态地处理其输入信息。能够动态地处理其输入信息。(7)控制专家系统控制专家系统任务任务自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为,使之满足预期要求。使之满足预期要求。特点特点控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。执行等多种功能。(8)调试专家系统调试专家系统任务任务对失灵的对象给出处理意见和方法。对失灵的对象给出处理意见和方法。特点特点同时具有规划、设计、预报和诊断等专同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。家系统的功能。(9)教学专家系统教学专家系统任务任务根据学生的特点、弱点和基础知
16、识根据学生的特点、弱点和基础知识,以最以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。特点特点同时具有诊断和调试等功能同时具有诊断和调试等功能;具有良好的具有良好的人机界面。人机界面。(10)修理专家系统修理专家系统任务任务对发生故障的对象对发生故障的对象(系统或设备系统或设备)进行处进行处理理,使其恢复正常工作。使其恢复正常工作。特点特点具有诊断、调试、计划和执行等功能。具有诊断、调试、计划和执行等功能。7.1.2建造专家系统的步骤与设计技巧建造专家系统的步骤与设计技巧1.建造专家系统的步骤建造专家系统的步骤(1)设计初始知识库设计初始知识库,包括包括
17、:问题知识化问题知识化,即辨别所研究问题的实质即辨别所研究问题的实质,如要解决的任如要解决的任务是什么务是什么,它是如何定义的它是如何定义的,可否把它分解为子问题或子可否把它分解为子问题或子任务任务,它包含哪些典型数据等。它包含哪些典型数据等。知识概念化知识概念化,即概括知识表示所需要的关键概念及其即概括知识表示所需要的关键概念及其关系关系,如数据类型、已知条件如数据类型、已知条件(状态状态)和目标和目标(状态状态)、提、提出的假设以及控制策略等。出的假设以及控制策略等。概念形式化概念形式化,即确定用来组织知识的数据结构形式即确定用来组织知识的数据结构形式,应应用人工智能中各种知识表示方法把与
18、概念化过程有关的用人工智能中各种知识表示方法把与概念化过程有关的关键概念、子问题及信息流特性等变换为比较正式的表关键概念、子问题及信息流特性等变换为比较正式的表达。达。形式规则化形式规则化,即编制规则、把形式化了的知识变换为由即编制规则、把形式化了的知识变换为由编程语言表示的可供计算机执行的语句和程序。编程语言表示的可供计算机执行的语句和程序。规则合法化规则合法化,即确认规则化了知识的合理性即确认规则化了知识的合理性,检验规则检验规则的有效性。的有效性。(2)原型机的开发与试验原型机的开发与试验在选定知识表达方法之后在选定知识表达方法之后,即可着手建立整个系统所即可着手建立整个系统所需要的实验
19、子集需要的实验子集,它包括整个模型的典型知识它包括整个模型的典型知识,而且只涉而且只涉及与试验有关的足够简单的任务和推理过程。及与试验有关的足够简单的任务和推理过程。(3)知识库的改进与归纳知识库的改进与归纳反复对知识库及推理规则进行改进试验反复对知识库及推理规则进行改进试验,归纳出更完归纳出更完善的结果。经过相当长时间善的结果。经过相当长时间(例如数月至二、三年例如数月至二、三年)的努的努力力,使系统在一定范围内达到人类专家的水平。使系统在一定范围内达到人类专家的水平。2.专家系统的设计技巧专家系统的设计技巧设计系统有一些对指导建立初始的实验系统有设计系统有一些对指导建立初始的实验系统有用的
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