知識(shí)工程與專(zhuān)家系統(tǒng)課件

1、知識(shí)工程與專(zhuān)家系統(tǒng)簡(jiǎn)介基本內(nèi)容一、基本概念與結(jié)構(gòu)二、研究現(xiàn)狀三、發(fā)展前景四、專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)例五、結(jié)束語(yǔ)一、基本概念與結(jié)構(gòu) 1.專(zhuān)家工程的概念 專(zhuān)家系統(tǒng)是知識(shí)工程的應(yīng)用系統(tǒng)，而知識(shí)工程是人工智能發(fā)展的新課題。 專(zhuān)家系統(tǒng)（ExpertSystem)亦稱(chēng)專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)，它是一種智能計(jì)算機(jī)(軟件)系統(tǒng)。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)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，能夠利用人類(lèi)專(zhuān)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。A應(yīng)用于某專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域B擁有專(zhuān)家級(jí)知識(shí)2.專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)該具備以下四個(gè)要素C能模擬專(zhuān)家的思維D能達(dá)到專(zhuān)家級(jí)水平3.專(zhuān)家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1圖1-1人機(jī)接口解釋機(jī)構(gòu)知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)推理機(jī)知識(shí)庫(kù)

2、用戶(hù)領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)工程師從概念來(lái)講，一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)具有如圖1-1所示的一般結(jié)構(gòu)模式。一般完整的專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)包括人機(jī)接口、推理機(jī)、知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取器和解釋機(jī)構(gòu)六部分。 所謂知識(shí)庫(kù)，就是以某種表示形式存儲(chǔ)于計(jì)算中的知識(shí)的集合。知識(shí)庫(kù)通常是以一個(gè)個(gè)文件的形式存放于外部介質(zhì)上，專(zhuān)家系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將被調(diào)入內(nèi)存。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)一般包括專(zhuān)家知識(shí)、領(lǐng)域知識(shí)和元知識(shí)。 所謂推理機(jī)，就是實(shí)現(xiàn)（機(jī)器）推理的程序。這里的推理，是一個(gè)廣義的概念，它既包括通常的邏輯推理，也包括基于產(chǎn)生式的操作。其中知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是兩個(gè)最基本的模塊，如圖1-2。 知識(shí)庫(kù)（KnowledgeBase)推理機(jī)（Inferense Engine

3、）圖1-2 一般的專(zhuān)家系統(tǒng)是通過(guò)推理機(jī)與知識(shí)庫(kù)和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的交互作用來(lái)求解領(lǐng)域問(wèn)題的，其大致過(guò)程如下：1）根據(jù)用戶(hù)的問(wèn)題對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行搜索，尋找有關(guān)的知識(shí)；（匹配）2）根據(jù)有關(guān)的知識(shí)和系統(tǒng)的控制策略形成解決問(wèn)題的途徑，從而構(gòu)成一個(gè)假設(shè)方案集合；3）對(duì)假設(shè)方案集合進(jìn)行排序，并挑選其中在某些準(zhǔn)則下為最優(yōu)的假設(shè)方案；（沖突解決）4）根據(jù)挑選的假設(shè)方案去求解具體問(wèn)題；（執(zhí)行）5）如果該方案不能真正解決問(wèn)題，則回溯到假設(shè)方案序列中的下一個(gè)假設(shè)方案，重復(fù)求解問(wèn)題；6）循環(huán)執(zhí)行上述過(guò)程，直到問(wèn)題已經(jīng)解決或所有可能的求解方案都不能解決問(wèn)題而宣告“無(wú)解”為止。4.專(zhuān)家系統(tǒng)的工作原理 5.專(zhuān)家系統(tǒng)與傳統(tǒng)程序的區(qū)別

4、專(zhuān)家系統(tǒng)是一種智能的計(jì)算機(jī)程序，但又與一般的計(jì)算機(jī)程序不同，傳統(tǒng)程序是以指令序列程序?yàn)楹诵牡摹３绦蛳鄳?yīng)于知識(shí)庫(kù),指令相應(yīng)于知識(shí)。程序的執(zhí)行是由編譯程序和硬件共同完成的。它相當(dāng)于專(zhuān)家系統(tǒng)的推理機(jī)編輯程序相應(yīng)于知識(shí)獲取系統(tǒng)。 但專(zhuān)家系統(tǒng)是比傳統(tǒng)程序高一級(jí)的程序，它與傳統(tǒng)程序有以下三個(gè)本質(zhì)差異。 第一、專(zhuān)家系統(tǒng)的推理機(jī)能夠根據(jù)不同的處理對(duì)象從知識(shí)庫(kù)中選擇不同的知識(shí)、構(gòu)成不同的序列，或者說(shuō)生成不同的程序。 第二、專(zhuān)家系統(tǒng)具有處理非確定性知識(shí)和數(shù)據(jù)的能力。因?yàn)樗軌蚋鶕?jù)環(huán)境選擇不同的知識(shí)序列,或者說(shuō)用不同的知識(shí)組合來(lái)權(quán)衡知識(shí)的非確定性程度,這恰好符合實(shí)際問(wèn)題中專(zhuān)家解決問(wèn)題的思維方法。 第三、專(zhuān)家系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)

5、依靠某一領(lǐng)域的高水平知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能,而且專(zhuān)家系統(tǒng)既能用理論知識(shí)，又能應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。 啟發(fā)性能運(yùn)用專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷A透明性能解決本身的推理過(guò)程, 回答用戶(hù)提出的問(wèn)題B靈活性能不斷地增長(zhǎng)知識(shí), 修改原有知識(shí)C6.專(zhuān)家系統(tǒng)的特點(diǎn)二、研究現(xiàn)狀 作為人工智能一個(gè)重要分支的專(zhuān)家系統(tǒng) (ExpertSys-tem, ES)是在 20世紀(jì) 60年代初期產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的應(yīng)用科學(xué), 而且正隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展而日臻完善和成熟。 目前已研究的專(zhuān)家系統(tǒng)模型有很多種。 其中較為流行的有基于規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)、基于案例的專(zhuān)家系統(tǒng)、基于框架的專(zhuān)家系統(tǒng)、基于模糊邏輯的專(zhuān)家系統(tǒng)、基于 D-S證據(jù)理論的

6、專(zhuān)家系統(tǒng)、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)家系統(tǒng)和基于遺傳算法的專(zhuān)家系統(tǒng)等。專(zhuān)家系統(tǒng)模型基于規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)（RBR）根據(jù)以往專(zhuān)家診斷的經(jīng)驗(yàn), 將其歸納成規(guī)則, 通過(guò)啟發(fā)式經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行推理。 它具有明確的前提, 得到確定的結(jié)果。如測(cè)定分子結(jié)構(gòu)和原子組成的DENDRAL系統(tǒng)?；诳蚣艿膶?zhuān)家系統(tǒng)將某類(lèi)對(duì)象的所有知識(shí)組織在一起的一種通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) , 而相互關(guān)聯(lián)的框架連接組成框架系統(tǒng)基于案例推理的專(zhuān)家系統(tǒng)（CBR）通過(guò)搜索曾經(jīng)成功解決過(guò)的類(lèi)似問(wèn)題, 比較新舊問(wèn)題之間的特征、發(fā)生背景等差異, 重新使用或參考以前的知識(shí)和信息, 達(dá)到最終解決新問(wèn)題的方法。如CYRUS系統(tǒng)?；谀：壿嫷膶?zhuān)家系統(tǒng) 模糊性是指客觀事物在狀態(tài)

7、及其屬性方面的不分明性, 其根源是在類(lèi)似事物間存在一系列過(guò)渡狀態(tài), 它們互相滲透、互相貫通, 使得彼此之間沒(méi)有明顯的分界線。 模糊性是客觀世界中某些事物本身所具有的一種不確定性, 它與隨機(jī)性有著本質(zhì)的區(qū)別。 但是, 模糊推理知識(shí)獲取困難, 尤其是征兆的模糊關(guān)系較難確定, 且系統(tǒng)的推理能力依賴(lài)模糊知識(shí)庫(kù), 學(xué)習(xí)能力差, 容易發(fā)生錯(cuò)誤?；贒-S證據(jù)理論的專(zhuān)家系統(tǒng) D-S理論具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ), 它能將“不知道”和“不確定”區(qū)分開(kāi)來(lái)。 但它也存在明顯的不足, 當(dāng)證據(jù)沖突度較高時(shí), 經(jīng)過(guò)其組合規(guī)則得到的結(jié)論常常有悖于常理；另外，基于D-S理論的專(zhuān)家系統(tǒng)在數(shù)據(jù)較多時(shí)，具有潛在的指數(shù)復(fù)雜度和推理鏈較長(zhǎng)的

8、缺點(diǎn)。專(zhuān)家系統(tǒng)模型專(zhuān)家系統(tǒng)模型基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)家系統(tǒng) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork, ANN)仿效生物體信息處理系統(tǒng)獲得柔性信息處理能力。 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)家系統(tǒng)的具體應(yīng)用形式可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型, 能夠?qū)崿F(xiàn)不同的用途。因此 , 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)家系統(tǒng)是目前最流行的專(zhuān)家系統(tǒng) ?；谶z傳算法的專(zhuān)家系統(tǒng) 遺傳算法(GeneticAlgorithms, GA)是一種基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的優(yōu)化搜索方法。 與一般的尋優(yōu)方法相比, 遺傳算法是一種全局優(yōu)化算法;在模糊推理隸屬度函數(shù)形狀的選取上具有更大的靈活性;由于具有隱含并行性, 可通過(guò)大規(guī)模并

9、行計(jì)算來(lái)提高計(jì)算速度;可在沒(méi)有任何先驗(yàn)知識(shí)和專(zhuān)家知識(shí)的情況下取得次優(yōu)或最優(yōu)解。三、發(fā)展前景1.專(zhuān)家系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái), 發(fā)展專(zhuān)家系統(tǒng)不僅要采用各種定性的模型, 而且要將各種模型綜合運(yùn)用, 以及運(yùn)用人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一些新思想和新技術(shù), 如分布式和協(xié)同式。這些都是專(zhuān)家系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。123 專(zhuān)家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要領(lǐng)域?qū)＜液椭R(shí)工程師共同努力，通用性專(zhuān)家系統(tǒng)作為一種新型專(zhuān)家系統(tǒng), 其特點(diǎn)如下： 集成多種模型的專(zhuān)家系統(tǒng)，根據(jù)用戶(hù)的需要，可以選擇其中的任何一種或多種，形成某一類(lèi)型的專(zhuān)家系統(tǒng)； 通過(guò)多種模型的綜合運(yùn)用，提高了專(zhuān)家系統(tǒng)的準(zhǔn)確率和效率； 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，可以探索出針對(duì)某一問(wèn)題的最佳模式（多

10、種模型的綜合運(yùn)用)，獲得最優(yōu)的專(zhuān)用專(zhuān)家系統(tǒng)。1.1 通用性專(zhuān)家系統(tǒng)1.2 分布式專(zhuān)家系統(tǒng) 分布式專(zhuān)家系統(tǒng)具有分布處理的特征, 其主要目的在于把一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)的功能經(jīng)分解后分布到多個(gè)處理器上并行工作從而在整體上提高系統(tǒng)的處理效率。這種專(zhuān)家系統(tǒng)較強(qiáng)的可擴(kuò)張性和靈活性,實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)者有效地進(jìn)行交流和共享資源，極大提高了準(zhǔn)確率和效率。分布式專(zhuān)家系統(tǒng)作為一種新型專(zhuān)家系統(tǒng), 其特點(diǎn)有：系統(tǒng)數(shù)據(jù)的所有來(lái)源，分門(mén)別類(lèi)地對(duì)不同數(shù)據(jù)來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，同時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確、實(shí)用性強(qiáng)；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具多樣，開(kāi)發(fā)環(huán)境與應(yīng)用環(huán)境分離，使開(kāi)發(fā)完善過(guò)程與應(yīng)用過(guò)程可以獨(dú)立地異步進(jìn)行；可以同時(shí)完成多用戶(hù)、多個(gè)并發(fā)請(qǐng)求的推理；借助輔

11、助數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)推理過(guò)程可以進(jìn)行有效的控制與監(jiān)測(cè)，并能整合推理結(jié)果，以多種形式反饋給用戶(hù)。 一般認(rèn)為，協(xié)同式專(zhuān)家系統(tǒng)是能綜合若干相關(guān)領(lǐng)域 (或一個(gè)領(lǐng)域)多個(gè)方面的單一專(zhuān)家系統(tǒng)互相協(xié)作共同解決一個(gè)更廣領(lǐng)域問(wèn)題的專(zhuān)家系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)亦可稱(chēng)之為群專(zhuān)家系統(tǒng)。 協(xié)同式專(zhuān)家系統(tǒng)作為一種新型專(zhuān)家系統(tǒng), 其特點(diǎn)有：將總?cè)蝿?wù)合理地分解為幾個(gè)分任務(wù)，分別由幾個(gè)分專(zhuān)家系統(tǒng)來(lái)完成。 把解決各個(gè)分任務(wù)所需要知識(shí)的公共部分提煉出來(lái)形成一個(gè)公共知識(shí)庫(kù), 供各子專(zhuān)家系統(tǒng)共享；而分專(zhuān)家系統(tǒng)中專(zhuān)用的知識(shí)，則存放在各自的專(zhuān)用知識(shí)庫(kù)中。 為了統(tǒng)一協(xié)調(diào)解決問(wèn)題， 有一個(gè)供各個(gè)分專(zhuān)家系統(tǒng)討論交流的平臺(tái)。1.3 協(xié)同式專(zhuān)家系統(tǒng)目前已經(jīng)有將分布

12、式和協(xié)同式結(jié)合起來(lái)的專(zhuān)家系統(tǒng) 在專(zhuān)家系統(tǒng)中，對(duì)知識(shí)應(yīng)用的順序和選擇過(guò)程稱(chēng)為控制策略，它決定著如何推理以及采用何種推理方式。正向推理和反向推理就是兩種重要的控制策略。下面簡(jiǎn)單介紹一個(gè)正向推理的專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)例四、專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)例蘇格拉底是男人所有男人都屬于人類(lèi)人類(lèi)必然要死亡蘇格拉底是男人所有男人都屬于人類(lèi)，人類(lèi)必然要死蘇格拉底是人類(lèi)蘇格拉底是男人所有男人都屬于人類(lèi)人類(lèi)必然要死亡蘇格拉底是人類(lèi)蘇格拉底必然要死亡蘇格拉底是人類(lèi)最終狀態(tài)人類(lèi)必然要死亡蘇格拉底是人類(lèi)蘇格拉底必然要死亡上圖所示實(shí)例中，知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則：IF 蘇格拉底=TURE THEN 男人=TURE.IF 男人=TURE THEN 人類(lèi)=TURE

13、.IF 人類(lèi)=TURE THEN 會(huì)死的=TURE. 解釋機(jī)構(gòu)：順序規(guī)則建議取得由來(lái)。 顯示：會(huì)死的 = TRUE應(yīng)用規(guī)則:IF 人類(lèi) = TRUETHEN 會(huì)死的 = TRUE . 顯示:男人 = TRUE應(yīng)用規(guī)則:IF 蘇格拉底 = TRUETHEN 男人 = TRUE . 顯示:人類(lèi) = TRUE應(yīng)用規(guī)則:IF 男人 = TRUETHEN 人類(lèi) = TRUE . 你說(shuō):蘇格拉底 = TRUE 建議證實(shí). 總結(jié)：推理機(jī)的工作過(guò)程如下： （1）推理機(jī)將知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則前提與這些事實(shí)進(jìn)行匹配；一般是將每條規(guī)則的取出來(lái)，驗(yàn)證這些前提是否在數(shù)據(jù)庫(kù)中，若都在，則匹配成功；不然的話(huà)，則取下一條規(guī)則進(jìn)行匹配。 （2）把匹配成功的規(guī)則的作為新的事實(shí)添加到綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中。 （3）用更新后的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)，重復(fù)上面兩個(gè)步驟，直到某個(gè)事實(shí)就是意想中的結(jié)論