第五章專家系統(tǒng)開發(fā)工具

第五章專家系統(tǒng)開發(fā)工具本章主要內(nèi)容5.1專家系統(tǒng)開發(fā)工具的作用5.2專家系統(tǒng)開發(fā)工具的分類5.3骨架系統(tǒng)EMYCIN和KAS5.4通用知識表示語言O(shè)PS55.5組合開發(fā)工具AGE5.6機械設(shè)計專家系統(tǒng)的骨架系統(tǒng)的建造5.7示例—GMDES通用的機械設(shè)計專家系統(tǒng)的骨架結(jié)構(gòu)

5.1.1專家系統(tǒng)工具的概念

專家系統(tǒng)工具是輔助專家系統(tǒng)構(gòu)造的軟件設(shè)施。如果將構(gòu)造專家系統(tǒng)的過程抽象為總結(jié)知識，輸入知識，設(shè)計專家系統(tǒng)幾大步驟，則專家系統(tǒng)工具也就可以相應(yīng)地抽象為輔助這幾步驟進行的設(shè)施。5.1專家系統(tǒng)開發(fā)工具的作用可使建立專家系統(tǒng)的時間和造價降低。5.1.2專家系統(tǒng)開發(fā)工具的作用

5.1.2國外軟件開發(fā)環(huán)境的情況5.2專家系統(tǒng)開發(fā)工具的分類5.2.1專家系統(tǒng)開發(fā)工具的基本結(jié)構(gòu)一個專家系統(tǒng)開發(fā)工具是一個能夠生成專家系統(tǒng)的系統(tǒng)，包括五個方面。1.有一種（或幾種）固定的知識表示方法，并有相應(yīng)的內(nèi)部編碼形式。2.有一個知識編輯器，最好能獲取領(lǐng)域?qū)＜一蚱渌侵R工程師用戶以交互方式輸入的知識并自動建立知識庫。3.具有一個知識庫維護或管理機制，幫助專家或知識工程師發(fā)現(xiàn)知識庫中的矛盾，冗余及其它不一致和知識的存貯，調(diào)度。4.提供一套或幾套推理機制，與編輯器或智能編輯器建立的知識庫一起實現(xiàn)實際問題求解。5.設(shè)置一個跟蹤解釋機制，通過例子或?qū)嶋H問題求解的運行，一方面幫助用戶理解的求解結(jié)論以實現(xiàn)系統(tǒng)的透明性，另一方面便于專家或知識工程師定位知識庫中的錯誤和不完善。專家系統(tǒng)開發(fā)工具結(jié)構(gòu)示意圖5.2.2專家系統(tǒng)開發(fā)工具的分類（一）骨架結(jié)構(gòu)基本設(shè)計思想是：從一個已經(jīng)研制成功的專家系統(tǒng)出發(fā)，抽去該系統(tǒng)中知識庫的專門知識，留下一個固化了的知識表示框架及相應(yīng)的推理機制和可能的知識獲取及解釋機制。當(dāng)在骨架系統(tǒng)中填入另一領(lǐng)域的專門知識并調(diào)試，完善形成一個新的知識庫時，就形成了一個新的專家系統(tǒng)。（二）通用知識表示語言是一類把控制知識也作為一種顯式知識同知識庫級知識一樣進行表示和推理的專家系統(tǒng)開發(fā)工具。（三）組合開發(fā)工具是比骨架系統(tǒng)和通用表示語言的通用性更強的一類專家系統(tǒng)開發(fā)工具。

5.3骨架系統(tǒng)EMYCIN和KAS5.3.1EMYCIN

EMYCIN是用INTERLISP等語言實現(xiàn)并在PDP-10機和VAX機上運行的基于規(guī)則的骨架型專家系統(tǒng)工具。在EMYCIN系統(tǒng)中，領(lǐng)域知識用事實和規(guī)則表示。事實由屬性—對象—值三元組組成，且附帶一個值域為[-1,1]的確定性因子。規(guī)則用似然（PLAUSIBLE）邏輯聯(lián)結(jié)詞將整個事實關(guān)聯(lián)起來，由前提部分和行為部分組成。

KAS是用INTERLISP語言實現(xiàn)并在PDP-10機和VAX機上運行的基于規(guī)則的骨架型專家系統(tǒng)工具。同EMYCIN類似，KAS也用事實和規(guī)則表達領(lǐng)域知識。但KAS把EMYCIN中表達事實的屬性—對象—值三元組擴充為語義網(wǎng)絡(luò)，故可描述任意多個對象之間的N元關(guān)系，其中相關(guān)對象再用一個網(wǎng)絡(luò)按集與子集關(guān)系表達，從而方便了推理機作演繹推理。5.3.2KAS在規(guī)則表達方面，EMYCIN的規(guī)則行為部分之后，有一個確定性因子，而KAS的規(guī)則行為部分之前，有兩個值域為[0，+00）的規(guī)則強度，前一強度LS表示前提為真實結(jié)論的可信度，后一強度LN表示前提為假設(shè)結(jié)論的可信度。KAS工具系統(tǒng)主要組成：（一）.常駐內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)編輯程序

1.結(jié)構(gòu)編輯程序

2.自動簿記系統(tǒng)（BS）

3.會話管理系統(tǒng)（DMS）（二）MATCHER在知識獲取中的應(yīng)用

1.維護概率一致性

2.裝配知識庫

3.輔助設(shè)計陳述的語義網(wǎng)絡(luò)表示

5.4通用知識表示語言O(shè)PS55.4.1概述

OPS是一種基于產(chǎn)生式的程序設(shè)計語言，OPS5是OPS語言系列中最有影響和應(yīng)用最廣的一種版本。

OPS5語言可分為語言本身和推理或執(zhí)行機構(gòu)兩大部分。語言結(jié)構(gòu)十分簡單，只有一種形式的語句，即產(chǎn)生式：如果<條件>則<動作>表示成

<條件><動作>或

LHSRHS

OPS一般都以解釋執(zhí)行的形式來實現(xiàn)。一般產(chǎn)生式系統(tǒng)的解釋程序是循環(huán)地執(zhí)行“識別—動作循環(huán)”：

1.匹配

2.解決沖突

3.執(zhí)行動作5.4.2工作存儲及工作存儲元工作存儲是OPS5程序的加工對象，它在解釋過程中是動態(tài)改變的。工作存儲是一些工作存儲元構(gòu)成的集合。5.4.3產(chǎn)生式及產(chǎn)生式存儲產(chǎn)生式是OPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也可以認(rèn)為是OPS僅有的一種語句形式。

1.產(chǎn)生式的結(jié)構(gòu)

2.產(chǎn)生式的左部LHS3.匹配規(guī)則

4.產(chǎn)生式的右部RHS5.4.4用戶過程5.4.5OPS5的解釋程序一般產(chǎn)生式系統(tǒng)的解釋程序的執(zhí)行過程是循環(huán)地執(zhí)行“識別—動作循環(huán)”（一）識別—動作循環(huán)

1.解決沖突

2.執(zhí)行動作

3.匹配

4.判別循環(huán)

（二）解決沖突的策略

1.LEX是根據(jù)時標(biāo)表按字典的順序來排列示例激活的優(yōu)先度的，是標(biāo)準(zhǔn)的字典順序比較策略。

2.MEA強調(diào)了產(chǎn)生式中第一條件元的重要性，與習(xí)慣上把重要條件放在首位的作法是一致的。5.4.6用戶命令5.5組合開發(fā)工具AGE

AGE是用INTERLISP語言實現(xiàn)并在PDP-10機和VAX機上運行的輔助型專家系統(tǒng)工具。目前，AGE已用來設(shè)計醫(yī)療診斷，密碼翻譯，軍事科學(xué)等方面的專家系統(tǒng)。5.6機械設(shè)計專家系統(tǒng)的骨架系統(tǒng)的建造

1.機械設(shè)計是一門古老的科學(xué)技術(shù)，該領(lǐng)域所涉及的知識十分繁雜，有概念性知識，有量化的圖表，有確認(rèn)的公理，有因時因地的經(jīng)驗。

2.機械設(shè)計是一個創(chuàng)造模型和完成模型的過程（這個模型包括數(shù)學(xué)模型和知識模型），也是一項綜合性工作，它具有以下幾方面的特性5.6.1機械設(shè)計的特殊性（1）創(chuàng)造性建立知識模型，重要的是想象，是創(chuàng)造。（2）多解性對一項設(shè)計，可能有多種方案能符合技術(shù)上和經(jīng)濟上的要求。（3）近似性設(shè)計過程中，往往伴隨著從眾多參數(shù)中篩選出主要參數(shù)，以抓住主要矛盾，減少設(shè)計的復(fù)雜性。這樣得出的結(jié)果，就具有近似性。一個好的設(shè)計，經(jīng)常是權(quán)衡可期望的程度與可接受的精度來選定的。（4）綜合性設(shè)計是一個多目標(biāo)的綜合和優(yōu)化的問題。（5）經(jīng)驗性創(chuàng)造和評價模型的依據(jù)，除了遵循各種理論條規(guī)之外，常常帶有經(jīng)驗性。這些特性在設(shè)計初期（即構(gòu)思性設(shè)計）階段表現(xiàn)得尤為明顯，直接影響著設(shè)計質(zhì)量。3.機械設(shè)計的目標(biāo)定義不完備，設(shè)計方案也不唯一。不同的設(shè)計專家經(jīng)常設(shè)計出不同的方案，而這些方案可能各有長短，但都是好的。作為機械設(shè)計專家的骨架系統(tǒng)需要能處理這種不完備定義問題。4.機械設(shè)計決策過程包括過程決策和技術(shù)決策。5.6.2機械設(shè)計專家系統(tǒng)的骨架系統(tǒng)的建造充分考慮到機械設(shè)計的特殊性，采用

1.多種知識的混合表示方法

2.“設(shè)計—評價—再設(shè)計”的設(shè)計過程模型

3.模塊化的組織結(jié)構(gòu)。包括以下幾個模塊：（1）元級知識庫及其管理、維護模塊（2）目標(biāo)級知識庫及其管理、維護模塊（3）黑板（4）推理模塊（5）I/O模塊

（6）分析評價模塊（7）決策模塊（8）解釋模塊（9）繪圖模塊5.7示例—GMDES通用的機械設(shè)計專家系統(tǒng)的骨架結(jié)構(gòu)

5.7.1研制GMDES骨架系統(tǒng)的必要性-為了對機械設(shè)計專家系統(tǒng)的共同理論進行深入研究，提出解決共性問題的有效途徑，又能集中較多人力和時間對專門問題的個性進行探討，推動各種實用專家系統(tǒng)的開發(fā)，提高專家系統(tǒng)的質(zhì)量與效能。為此，華東工學(xué)院計算機系研制了一個通用的機械設(shè)計專家系統(tǒng)骨架系統(tǒng)，即CMDES骨架系統(tǒng)。5.7.2GMDES骨架系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)GMDES骨架系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖示，由知識獲取子系統(tǒng)，知識庫及其管理維護子系統(tǒng)，推理機，信息解釋子系統(tǒng)，評價決策子系統(tǒng)，2D,3D繪圖子系統(tǒng)六部分組成。5.7.3機械設(shè)計知識的集成表示方法集成知識表示方法就是將規(guī)則表示，框架表示,過程表示相結(jié)合，根據(jù)不同類型知識的特點，采用相應(yīng)的表示方法，而且使規(guī)則可以調(diào)用規(guī)則，框架，過程，是框架又可以調(diào)用框架，規(guī)則，過程。如：1.PTM框架中嵌入PL規(guī)則PTM(AKO(VALUE(PL)))(FORMULA(VALUE((HPQASK))((WOASK))((WASK))((TEMFB))((DTAF200))((MIKF2))(IF—NEEDED(F6)))(RULE(VALUE(RKBPL))))2.BB1規(guī)則中嵌入過程SIN(RULE12BB1

（IF((V0800))(THEN(SET!BB1(－B(/(*BBQV0V0(SINALF))(*NTTH))))))5.7.4基于多種知識表示的多級知識獲取子系統(tǒng)該子系統(tǒng)允許專家在不同的知識結(jié)構(gòu)層次上獲取知識。多級知識獲取策略建立在概念模型描述領(lǐng)域的基本實體，實體性質(zhì)，相關(guān)信息，解算方法等。知識獲取策略分為四級：

1.概念模型生成級

2.屬性生成級

3.依賴關(guān)系生成級

4.元控制生成級5.7.5高效推理機GMDES的推理機結(jié)構(gòu)如圖示，其中PB,FB,FDB分別表示過程庫，事實庫與函數(shù)庫。系統(tǒng)采用元級控制策略，針對用戶所要求的設(shè)計目標(biāo)，通過元推理機隊知識的推理，得到一張由設(shè)計目標(biāo)轉(zhuǎn)換而來的若干子問題求解日程表存放在黑板中，元級控制又按問題求解日程表控制目標(biāo)級推理機依次求解，直到所有子問題都求解完畢。本推理機還采用了正向，反向，混合三種推理策略來進一步提高效率。5.7.6多級模糊綜合評價多級模糊綜合評價是采用產(chǎn)品評價樹（如圖）產(chǎn)品評價樹評價樹葉節(jié)點集合為(e1,e2…,en);系統(tǒng)輸出方案的指標(biāo)(值集合)為(ev1,ev2,…evn);隸屬度函數(shù)為ui(evi)(i=1,2…,n);權(quán)向量為（ew1,ew2,…ewn)5.7.7模糊決策模糊決策的方法主要有兩種：（一）相似優(yōu)先決策（二）優(yōu)先定序決策5.7.8知識庫的管理與維護由于GMDES的知識庫內(nèi)知識量相當(dāng)龐大，故除設(shè)置了功能較強的管理系統(tǒng)外，還考慮了知識庫內(nèi)容的更新、知識的完整性與一致性的檢查。GMDES系統(tǒng)的設(shè)計者在基于一階謂詞理論的基礎(chǔ)上，提出并采用了一種對規(guī)則庫進行定量維護的決策表算法。決策表可分為條件表、動作表如邏輯值表、在計算機內(nèi)部采用稀疏矩陣形式存放。它的BNF范式為：<稀疏矩陣>::＝<表><表>::=<子表><表><子表>::=(<TAG>(<行下標(biāo)><名稱><稀疏行向量>))<TAG>::=Condition|Act