第5章專家系統(tǒng)

第5章專家系統(tǒng)2023/2/61第5章專家系統(tǒng)

5.1

專家系統(tǒng)概述

5.2

專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

5.3

專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示

5.4專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造

5.5專家系統(tǒng)的評價

5.6專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

5.7專家系統(tǒng)舉例

2023/2/62

5.1

專家系統(tǒng)概述迄今為止，關(guān)于什么是專家系統(tǒng)，目前尚無一個十分確切的定義。其一般公認定義：專家系統(tǒng)是一個具有智能的程序系統(tǒng)，其內(nèi)部具有大量的專家水平的知識與經(jīng)驗；該系統(tǒng)能利用專家的知識與推理方法來解決專門領域的問題；它能對自身所得出的結(jié)論做出清楚、明晰、合理的解釋。簡單地說，能夠向用戶提供關(guān)于某一領域中專家水平的決策與解釋的智能模擬系統(tǒng)，稱為專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)作為專家的功能主要是應用了人工智能領域的相關(guān)技術(shù)。

5.1.1

什么是專家系統(tǒng)？2023/2/63現(xiàn)實中有許多問題，都要依靠專門領域的專家來解決。專家對問題的推理和決策，除了依據(jù)他們的學識外，還要取決于個人實踐經(jīng)歷中積累的經(jīng)驗和練就的直覺方法。其中，包括一些不確定的知識，從而以專家的決斷，對問題給出權(quán)威的解答。一個專家系統(tǒng)必須滿足的基本條件是：

①專家系統(tǒng)處理的是現(xiàn)實世界中原本應由專家分析和判斷的復雜問題；②

專家系統(tǒng)解決問題的模型和方案來自于專家的經(jīng)驗和推理方法；③專家系統(tǒng)應該得到和專家一致的判斷結(jié)論與決策。本質(zhì)上，專家系統(tǒng)只是一個高級的計算機智能程序系統(tǒng)。

5.1.1

什么是專家系統(tǒng)？2023/2/64專家系統(tǒng)（ExpertSystem)亦稱專家咨詢系統(tǒng)，它是一種智能計算機(軟件)系統(tǒng)。顧名思義，專家系統(tǒng)就是能像人類專家一樣解決困難、復雜的實際問題的計算機(軟件)系統(tǒng)。對比專家，則專家系統(tǒng)也應具備以下四個要素：

(1)應用于某專門領域；

(2)擁有專家級知識；

(3)能模擬專家的思維；

(4)能達到專家級水平。

5.1.1什么是專家系統(tǒng)？

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/65

同一般的計算機應用系統(tǒng)（如數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等）相比，專家系統(tǒng)具有下列性能：

(1)具有高性能?，F(xiàn)實世界中，以數(shù)學化公式為核心的知識僅約占8%，大部分問題都是非數(shù)學化的知識。專家系統(tǒng)善于解決那些不確定性的、非結(jié)構(gòu)化的、沒有算法解或雖有算法解但在現(xiàn)有的機器上無法實施的高難問題。

5.1.2專家系統(tǒng)的性能

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/66(2)具有知識與實用性。

從處理問題的方法看，專家系統(tǒng)則是靠知識和推理來解決問題（不像傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)使用固定的算法來解決問題），所以，專家系統(tǒng)是基于知識的智能問題求解系統(tǒng)。其次，

許多經(jīng)典的人工智能程序往往是從純學術(shù)技術(shù)目的出發(fā)研制的一種實驗性研究工具，而專家系統(tǒng)解決的是人們在生產(chǎn)實踐、科學研究、產(chǎn)品設計以及其它領域的實際問題，更多地強調(diào)實用。5.1.2專家系統(tǒng)的性能

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/67(3)具有靈活性及可擴充性。

從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，專家系統(tǒng)則強調(diào)知識與推理的分離，因而系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴充性。其靈活性還表現(xiàn)為：由于知識庫與推理機分離，使人們可把一個技術(shù)上成熟的專家系統(tǒng)變?yōu)橐粋€專家系統(tǒng)工具，即只要抽去知識庫中的知識就可使它變?yōu)橐粋€專家系統(tǒng)外殼。當要建立另外一個其功能與之類似的專家系統(tǒng)時，只要把相應的知識裝入到該外殼的知識庫中就可以了。這就節(jié)省了耗時費工的開發(fā)工作。事實上，目前有一些專家系統(tǒng)開發(fā)工具就是這樣得來的。例如，由專家系統(tǒng)MYCIN得到的構(gòu)造工具EMYCIN；由PROSPECTOR得到的ES外殼KAS等。5.1.2專家系統(tǒng)的性能2023/2/68(4)具有透明性。專家系統(tǒng)必須具有解釋功能，能回答用戶提出的問題，向用戶解釋它的決策動機和結(jié)論的推理過程，使用戶能清楚地了解系統(tǒng)處理問題正確性，通過增強系統(tǒng)的透明度而取信于用戶。例如，一個醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)診斷某病人患有肺炎，而且必須用某種抗生素治療，那么，這一專家系統(tǒng)應向病人解釋為什么判斷他患有肺炎，解釋用該抗生素治療的原因，就像一位醫(yī)療專家對病人詳細解釋病情一樣。5.1.2專家系統(tǒng)的性能

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/69(5)具有自學習及自修正能力。有些專家系統(tǒng)還具有“自學習”能力，即不斷對自己的知識進行擴充、完善和提煉。專家系統(tǒng)還能隨時修正已有的知識或歸納出新的知識，適應新情況的需要，這一點是傳統(tǒng)系統(tǒng)所無法比擬的。(6)具有專業(yè)和長效性。專家系統(tǒng)大量使用的是專家級水平的專門領域所謂“深知識”來決策，而不是一般系統(tǒng)那樣多使用常識性知識，即所謂“淺知識”；專家系統(tǒng)不像人那樣容易疲勞、遺忘，易受環(huán)境、情緒等的影響，它可始終如一地以專家級的高水平求解問題。5.1.2專家系統(tǒng)的性能2023/2/6105.1.3專家系統(tǒng)的特點與研究意義比較方面?zhèn)鹘y(tǒng)程序?qū)＜蚁到y(tǒng)編程思想編程方法處理對象執(zhí)行過程可修改性操作解釋結(jié)論依據(jù)某一算法知識使用和知識本身混合在一起數(shù)值量順序方式或批處理方式執(zhí)行難修改，需改動整個程序并重新編譯

不能正確，不容許不確定性依據(jù)啟發(fā)式方式知識和知識的使用分離符號量人機交互方式執(zhí)行易修改，只需改動知識庫可能滿意，容許不確定性表5-1專家系統(tǒng)特點及與傳統(tǒng)程序的區(qū)別

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/611

研究專家系統(tǒng)的意義還在于:專家系統(tǒng)不像人那樣容易疲勞、遺忘，易受環(huán)境、情緒的影響，它可始終如一地以專家級的高水平求解問題。因此，從這個意義上講，專家系統(tǒng)可以超過專家本人。專家系統(tǒng)便于保存和大面積推廣各種專家的寶貴知識，更有效地發(fā)揮各種專業(yè)人才的作用，克服人類專家供不應求的矛盾。專家系統(tǒng)還可以綜合許多專家的知識和經(jīng)驗，從而博采眾長。專家系統(tǒng)作為一種計算機系統(tǒng)，便于發(fā)揮計算機快速、準確的優(yōu)勢，在某些方面比專家更可靠、更靈活，可以不受時間、地域及人為因素的影響。另外，由于專家系統(tǒng)具有解釋功能，系統(tǒng)設計者和領域?qū)＜揖涂煞奖愕卣页鱿到y(tǒng)隱含的錯誤，便于對系統(tǒng)進行維護。

5.1.3專家系統(tǒng)的特點與研究意義

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/612

1.按用途分類按用途分類，專家系統(tǒng)可分為：診斷型、解釋型、預測型、決策型、設計型、規(guī)劃型、控制型、調(diào)度型等幾種類型。

2.按輸出結(jié)果分類按輸出結(jié)果分類，專家系統(tǒng)可分為分析型和設計型。5.1.4專家系統(tǒng)的分類

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/613

3.按知識分類知識可分為確定性知識和不確定性知識，所以，按知識分類，專家系統(tǒng)又可分為精確推理型和不精確推理型（如模糊專家系統(tǒng)）。

順便指出，關(guān)于知識處理的技術(shù)和方法已形成一個稱為“知識工程”（KnowledgeEngineering）的學科領域。這就是說，專家系統(tǒng)促使了知識工程的誕生和發(fā)展，知識工程又是為專家系統(tǒng)服務的。正是由于這二者的密切關(guān)系，所以，現(xiàn)在的“專家系統(tǒng)”與“知識工程”幾乎已成為同義語。

4.按技術(shù)分類

按采用的技術(shù)分類，專家系統(tǒng)可分為符號推理專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)。前面講的內(nèi)容均為基于符號推理5.1.4專家系統(tǒng)的分類2023/2/614

5.按規(guī)模分類

按規(guī)模分類，可分為大型協(xié)同式專家系統(tǒng)和微專家系統(tǒng)。

6.按結(jié)構(gòu)分類

按結(jié)構(gòu)分類可分為集中式和分布式，單機型和網(wǎng)絡型(即網(wǎng)上專家系統(tǒng))。

5.1.4專家系統(tǒng)的分類

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/6151.專家系統(tǒng)與知識系統(tǒng)專家系統(tǒng)能有效地解決問題的主要原因在于它擁有知識，因為“知識就是力量”。但專家系統(tǒng)擁有的知識是專家知識，而且主要是經(jīng)驗性知識。由專家系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展而發(fā)展起來的一種稱為知識系統(tǒng)（KnowledgeBasedSystem)的智能系統(tǒng)，其中的知識已不限于人類專家的經(jīng)驗知識，而可以是領域知識或通過機器學習所獲得的知識等。所以，對于這種廣義的知識系統(tǒng)來說，專家系統(tǒng)就是一種特殊的知識系統(tǒng)。5.1.5專家系統(tǒng)與知識工程

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/616

2.專家系統(tǒng)與知識工程由于專家系統(tǒng)是基于知識的系統(tǒng)，那么，建造專家系統(tǒng)就涉及到：（1）知識獲?。簭娜祟悓＜夷抢锘驈膶嶋H問題搜集、整理、歸納專家級知識（2）知識表示：以某種結(jié)構(gòu)形式表達所獲取的知識，并將其存儲于計算機之中（3）知識的組織與管理：知識庫建立與維護等

（4）知識的利用：使用知識進行推理等一系列關(guān)于知識處理的技術(shù)和方法。5.1.5專家系統(tǒng)與知識工程

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/617

關(guān)于知識處理的技術(shù)和方法已形成一個稱為“知識工程”（KnowledgeEngineering）的學科領域。這就是說，專家系統(tǒng)促使了知識工程的誕生和發(fā)展，知識工程又是為專家系統(tǒng)服務的。正是由于這二者的密切關(guān)系，所以，現(xiàn)在的“專家系統(tǒng)”與“知識工程”幾乎已成為同義語。5.1.5專家系統(tǒng)與知識工程

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/618BACON3系統(tǒng)功能介紹：由一位美國學者P.W.Langley(蘭利)于1979年在CarnegieMellon(卡內(nèi)基-梅隆)大學提出的一個關(guān)于實驗數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個發(fā)現(xiàn)物理學中經(jīng)驗性定理的機器學習系統(tǒng)，并以英國16世紀著名思想家和科學家培根命名。假設對應一組系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)

X={XK}

得到一批輸出數(shù)據(jù)

Y={YKI},K,I=1,2,…

這批數(shù)據(jù)記錄真實、齊全，但數(shù)據(jù)排列順序被破壞了。如何分析呢？

5.1.6

一個關(guān)于專家系統(tǒng)的事例

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/619由于這批數(shù)據(jù)記錄真實、齊全，只是數(shù)據(jù)排列順序被破壞了，因此，首先應恢復數(shù)據(jù)排列順序，再進行系統(tǒng)分析：（1）將輸入、輸出數(shù)據(jù)分為兩組，各自按單調(diào)排列；（2）確定對應輸入與輸出間的數(shù)據(jù)乘積，或比值，或某次方根，…等數(shù)學關(guān)系為一恒值常數(shù)；或引進新的變量，繼續(xù)上述研究過程；（3）若確定對應輸入輸出間的數(shù)據(jù)的某數(shù)學關(guān)系為一恒值常數(shù)，則結(jié)合數(shù)據(jù)實驗發(fā)生的原始環(huán)境，分析該常數(shù)的物理意義，從而總結(jié)出一般規(guī)律。

5.1.6

一個關(guān)于專家系統(tǒng)的事例

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/620按照這種思路和數(shù)學模型，人們很容易獲得關(guān)于物理學的很多定律。諸如：f=ma;

S=vt

U=RI

Q=CU

F=kX

E=Mc2

P=F/S2

(PxVx)/Tx=(P0V0)/T0=R(常數(shù))…等

5.1.6

一個關(guān)于專家系統(tǒng)的事例

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/621按照這種思路和數(shù)學模型，人們很容易獲得關(guān)于物理學的很多定律。諸如它能重新發(fā)現(xiàn)波義耳定律、歐姆定律、牛頓萬有引力定律和開普勒行星運動定律等。例如：如果給程序提供一系列氣體體積隨溫度、壓力變化的實驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)經(jīng)過學習概括和歸納推理，可以得出理想氣體的波義耳定律。BACON系統(tǒng)的思想是利用一些算子反復構(gòu)造一些新的項，當這些項中有一個是常數(shù)時，就得到概念“項=常數(shù)”。

5.1.6

一個關(guān)于專家系統(tǒng)的事例

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/622例如，對開普勒定律：行星繞太陽運動周期為p與行星到太陽的距離d有關(guān)，即有公式：

R=d3/p2其中R為常數(shù)。計算過程如表所示。

BACON3程序成功地模擬了人類發(fā)現(xiàn)物理學上一些經(jīng)驗性的簡單定律，幫助人們概括出了物理實驗中的一種客觀規(guī)律。進一步發(fā)展推廣，BACON3甚至稍加改進，還可用于非線性系統(tǒng)的研究上。因此，對于這項成果，學者們曾經(jīng)給以很高評價，認為可能拋磚引玉，導致歸納機的誕生。

5.1.6

一個關(guān)于專家系統(tǒng)的事例

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/623由上表，對開普勒定律公式R=d3/p2發(fā)現(xiàn)過程為：①p和d都是遞增，并且非線性互相依賴，觸發(fā)建立新項d/p的算子。②d和d/p的遞增方向剛好相反，觸發(fā)建立新項（d/p）·d=d2/p的算子。③d/p和d2/p的遞增方向剛好相反，觸發(fā)建立新項（d/p）·d2/p=d3/p2的算子。④項d3/p2是常數(shù)，則得到行星運動定律。

5.1.6

一個關(guān)于專家系統(tǒng)的事例行星pDd/pd2/pd3/p2Mercury111．01．01．0Venus840．52．01．0Earth2790．333．01．0表

行星運動定律的發(fā)現(xiàn)2023/2/624２.預測型專家系統(tǒng)（expertsystemforprediction）這是根據(jù)現(xiàn)狀預測未來可能發(fā)生的情況的專家系統(tǒng)。諸如應用于氣象預報、地震災害預測、人口預測、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)量估計及水文、經(jīng)濟、軍事形勢預測等方面。其特點為：

⑴系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)隨時間變化，而且可能是不準確和不完全的。

⑵系統(tǒng)需要有適應時間變化的動態(tài)模型，能夠從不完全和不準確的信息中，得出預報，并達到要求的時效性。如臺風路徑預報TYT專家系統(tǒng)就是一例。

5.1.7

專家系統(tǒng)的類型

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/625３.診斷型專家系統(tǒng)（expertsystemfordiagnosis）根據(jù)診斷對象的表征現(xiàn)象，例如病人的臨床癥狀，機器故障的聲光現(xiàn)象等，推斷出該對象機能失?；虬l(fā)生故障的原因。診斷專家系統(tǒng)具有下列特點：

⑴能夠了解被診斷對象或客體各組成部分的特性以及它們之間的聯(lián)系。

⑵能夠區(qū)分一種現(xiàn)象及其所掩蓋的另一種現(xiàn)象。

⑶能夠向用戶提出測量的數(shù)據(jù)，并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷。如著名的MYCIN系統(tǒng)，就能對傳染性疾病做出專家水平的診斷和治療選擇。

5.1.7

專家系統(tǒng)的類型

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/626４.設計型專家系統(tǒng)（expertsystemfordesign）這是一種根據(jù)任務要求，計算出滿足設計問題約束的目標配置的系統(tǒng)。設計型專家系統(tǒng)應具有下列特點：⑴善于從多方面的約束中得到符合要求的設計結(jié)果。⑵系統(tǒng)需要檢索較大的可能解空間。⑶善于分析各種問題，并處理好子問題間的相互關(guān)系。⑷能夠試驗性地構(gòu)造出可能設計，并易于對所得設計方案進行修改。⑸能夠使用已被證明是正確的設計來解釋當前的新設計。例如，DAC公司用來幫助用戶提出最佳計算機配置方案的R1系統(tǒng)。

5.1.7

專家系統(tǒng)的類型

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/627５.規(guī)劃型專家系統(tǒng)（expertsystemforplanning）規(guī)劃型專家系統(tǒng)用來制訂行動規(guī)劃一類專家系統(tǒng)。諸如機器人動作規(guī)劃、制訂生產(chǎn)規(guī)劃等。其具體特點有：

⑴所要規(guī)劃的目標可能是動態(tài)的或靜態(tài)的，因而需要對未來動作做出預測。

⑵所涉及的問題可能很復雜，要求系統(tǒng)能夠抓住重點，處理好各子目標之間的關(guān)系和不確定的數(shù)據(jù)信息，并通過實驗性動作得出可行規(guī)劃。

5.1.7

專家系統(tǒng)的類型

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/628６.監(jiān)視型專家系統(tǒng)（expertsystemformonitoring）這是用來對某些行為、狀況進行監(jiān)視，并與其正常情況進行比較，當發(fā)現(xiàn)異常發(fā)出告警或進行干預的系統(tǒng)。如森林火警監(jiān)視、機場監(jiān)視等。監(jiān)視專家系統(tǒng)具有下列特點：

⑴系統(tǒng)應具有快速反應能力，在造成事故之前及時發(fā)出警報。

⑵系統(tǒng)發(fā)出的警報要有很高的準確性。在需要發(fā)出警報時發(fā)警報，在不需要發(fā)出警報時不得輕易發(fā)警報（假警報）。

⑶系統(tǒng)能夠隨時間和條件的變化而動態(tài)地處理其輸入信息。

5.1.7

專家系統(tǒng)的類型

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/629７.控制型專家系統(tǒng)（expertsystemforcontrol）用以自適應地管理受控對象，使之滿足預期要求的系統(tǒng)。其特點為：能夠解釋當前情況，預測未來可能發(fā)生的情況；診斷可能發(fā)生的問題及其原因，不斷修正計劃，控制系統(tǒng)的運行?？刂菩蛯＜蚁到y(tǒng)具有解釋、預報、診斷、規(guī)劃和執(zhí)行等功能。８.調(diào)試型專家系統(tǒng)（expertsystemfordebugging）調(diào)試型專家系統(tǒng)的任務是對失靈的對象給出處理意見和方法。調(diào)試專家系統(tǒng)的特點是同時具有規(guī)劃、設計、預報和診斷等專家系統(tǒng)的功能。

5.1.7

專家系統(tǒng)的類型

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/630９.教學型專家系統(tǒng)（expertsystemforinstruction）教學型專家系統(tǒng)能根據(jù)學生的知識點掌握情況、性情特點等，以最適當?shù)慕贪负徒虒W方法對學生進行教學和輔導。教學專家系統(tǒng)的特點為：［１］同時具有診斷和調(diào)試等功能。［２］具有良好的人機界面。１０.維護型專家系統(tǒng)（expertsystemforrepair）系統(tǒng)能對發(fā)生故障的對象（系統(tǒng)或設備）進行處理，使其恢復正常工作。該類型專家系統(tǒng)應具有診斷、調(diào)試、計劃和執(zhí)行等功能。

5.1.7

專家系統(tǒng)的類型

5.1

專家系統(tǒng)概述2023/2/631

5.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

5.２專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理人機接口推理機解釋器知識獲取知識與數(shù)據(jù)庫

黑板圖7-３A專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)知識庫推理機輸入或提問答案專家知識

圖7-２專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)用戶專家/知識工程師2023/2/632圖7―3B專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

5.２專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理2023/2/633專家系統(tǒng)須滿足的基本功能（共六大功能）:

⑴存儲問題求解所需的專家知識;⑵存儲具體領域內(nèi)的初始數(shù)據(jù)和推理過程中所涉及到的各種信息．如中間結(jié)果、目標、子目標、條件、假設等等。⑶根據(jù)當前輸入的數(shù)據(jù)，利用已有的知識，按照一定的推理策略，去解決當前問題，并能控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。⑷能對推理過程、結(jié)論或系統(tǒng)自身做出必要的解釋．如解題步驟、處理策略、選擇處理方法、求解某種問題的能力、系統(tǒng)如何組織和管理其自身知識等。這樣既便于用戶的理解和接受，同時也便于系統(tǒng)的維護。

5.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2023/2/634⑸提供知識獲取、機器學習、修改、擴充和完善等其它維護手段。這樣才能更有效地提高系統(tǒng)的問題求解能力及準確性。⑹提供一種人機接口，能分析、理解用戶的各種請求。其中，存放知識和使用知識是專家系統(tǒng)的兩個基本功能，用于實現(xiàn)該功能的知識庫和推理機構(gòu)成了專家系統(tǒng)的兩個核心部件，如圖5-2所示?；谝?guī)則的專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7-3所示，一般包括知識與數(shù)據(jù)庫、推理機、黑板、人機接口、解釋器和知識獲取機等六部分。

5.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2023/2/635

7.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)人機接口推理機解釋器知識獲取知識與數(shù)據(jù)庫

黑板圖5-３A專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)知識庫推理機輸入或提問答案專家知識

圖5-２專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)用戶專家/知識工程師2023/2/636知識與數(shù)據(jù)庫：包括專家知識庫和事實數(shù)據(jù)庫兩部分，存儲著求解領域中問題所需的專家知識及數(shù)據(jù)，它是專家系統(tǒng)的組成基礎。主要用途：用于存放相關(guān)領域或問題的初始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)論等。它能對知識和全局數(shù)據(jù)施行存儲、管理，并以規(guī)則形式表達專家級知識。一類是領域中的定義、事實和理論等，通常收錄于相關(guān)學術(shù)著作和教科書中；另一類是專家個人在工作經(jīng)歷中所獲得的實踐經(jīng)驗等。這使得專家們在錯綜復雜關(guān)鍵時刻，能臨機決斷，做出正確決策。特性：⑴它可被所有的規(guī)則訪問；⑵規(guī)則之間的聯(lián)系只有通過數(shù)據(jù)庫才能發(fā)生。

5.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2023/2/637推理機：推理機實際上就是一組計算機程序，它是專家系統(tǒng)的“思維”機構(gòu)，是構(gòu)成專家系統(tǒng)的核心部分。主要功能：協(xié)調(diào)控制整個系統(tǒng)，模擬領域?qū)＜业乃季S過程，控制并執(zhí)行對問題的求解。它能根據(jù)當前已知的事實，利用知識庫中的知識，按一定的推理方法和控制策略進行推理，求得問題的答案或證明某個假設的正確性?？傊R庫和推理機構(gòu)成了一個專家系統(tǒng)的基本框架。同時，這兩部分又是相輔相成、密切相關(guān)的。因為不同的知識表示有不同的推理方式，所以，推理機的推理方式和工作效率不僅與推理機本身的算法有關(guān)，還與知識庫中的知識以及知識庫的組織有關(guān)。

5.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2023/2/638

黑板：

顧名思義，黑板是一種可讀、可刷新重寫的裝置，用于描述記錄專家系統(tǒng)的中間推理過程、數(shù)據(jù)的變換與演算，又稱為暫存器。許多專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把黑板并入數(shù)據(jù)庫中，但它只是系統(tǒng)運行中間的一些動態(tài)信息的集合，是系統(tǒng)運行期間產(chǎn)生和變化的，因此，它只是數(shù)據(jù)庫中“動態(tài)”變化的那一部分。有了黑板，便于進行系統(tǒng)跟蹤、調(diào)試與解釋。

5.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2023/2/639解釋模塊（解釋器）：這是實現(xiàn)系統(tǒng)透明性的重要模塊。它負責回答用戶提出的各種問題，解釋系統(tǒng)的推理過程，使系統(tǒng)向用戶透明。解釋程序模塊由一組程序構(gòu)成，它是專家系統(tǒng)區(qū)別于一般程序的重要特征之一。它可對推理路線和提問的含義給出必要的清晰的解釋，使用戶了解推理過程；并能跟蹤并記錄推理過程，也為系統(tǒng)維護提供了方便的手段。

5.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2023/2/640

知識獲取模塊：這是專家系統(tǒng)中能將某專業(yè)領域內(nèi)的事實性知識和領域?qū)＜宜赜械慕?jīng)驗性知識轉(zhuǎn)化為計算機可利用的形式并送入知識庫的功能模塊。同時也負責知識庫中知識的修改、刪除和更新，并對知識庫的完整性和一致性進行維護。知識獲取模塊是實現(xiàn)系統(tǒng)靈活性的主要部分，它使領域?qū)＜铱梢孕薷闹R庫而不必了解知識庫中知識的表示方法、知識庫的組織結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)上的細節(jié)問題，這大大地提高了系統(tǒng)的可擴充性。

5.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2023/2/641

人機接口：人機接口負責把領域?qū)＜?、知識工程師或一般用戶輸入的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式，然后把這些內(nèi)部表示交給相應的模塊去處理。系統(tǒng)輸出的內(nèi)部信息也由人機接口轉(zhuǎn)換成用戶易于理解的外部表示形式顯示給用戶。

5.２.１專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2023/2/642求解過程大致有如下幾個步驟：根據(jù)用戶的問題對知識庫進行搜索，尋找有關(guān)的知識。根據(jù)有關(guān)的知識和系統(tǒng)的控制策略形成解決問題的途徑，即知識操作算子序列，從而構(gòu)成一個假設集合。對解決問題的一組可能假設方案進行排序，并挑選其中在某些準則下為最優(yōu)的假設方案。根據(jù)挑選的解決問題的假設方案去求解具體問題。如果該方案不能真正解決問題，則回溯到假設方案序列中的下一個假設方案，重復求解問題。上述過程循環(huán)執(zhí)行，直到問題已經(jīng)解決或所有可能的求解方案都不能解決問題而宣告“本系統(tǒng)該問題無解”為止。

5.２.２專家系統(tǒng)的工作原理2023/2/643

5.２.２專家系統(tǒng)的工作原理上述過程可用圖5-3來描述。YY目標問題分析根據(jù)目標問題集聚知識形成解決問題的假設方案集選擇最優(yōu)方案執(zhí)行之對假設方案集進行排序知識庫問題已解決？選擇下一個方案并執(zhí)行還有其它方案？成功結(jié)束失敗結(jié)束NN2023/2/644

上面介紹的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是專家系統(tǒng)的概念模型，或者說是只強調(diào)知識和推理這一主要特征的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但專家系統(tǒng)終究仍是一種計算機應用系統(tǒng)。所以，它與其它應用系統(tǒng)一樣是解決實際問題的。而實際問題往往是錯綜復雜的，比如，可能需要多次推理或多路推理或多層推理才能解決，而知識庫也可能是多塊或多層的。

5２.3

專家系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)2023/2/645

專家系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)示例

總控處理模塊1專家模塊1…………專家模塊m處理模塊n2023/2/646地質(zhì)圖件繪制智能輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2023/2/647

網(wǎng)絡與分布式結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡環(huán)境下，專家系統(tǒng)也可以設計成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，如“客戶機/服務器”(Client/Server)結(jié)構(gòu)（如圖8―5(a)所示），或瀏覽器/服務器(Browser/Server)結(jié)構(gòu)(如圖8-5(b)所示)。我們稱后一種結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)為網(wǎng)上專家系統(tǒng)。分布式結(jié)構(gòu)則是一種適合于分布式計算環(huán)境的專家系統(tǒng)。例如那些多學科、多專家聯(lián)合作業(yè)，協(xié)同解題的大型專家系統(tǒng)，就可以設計成分布式結(jié)構(gòu)。這類專家系統(tǒng)也就稱為分布式專家系統(tǒng)。

5.２.3

專家系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)2023/2/648

專家系統(tǒng)的客戶(機)/服務器結(jié)構(gòu)及瀏覽器/服務器結(jié)構(gòu)知識庫推理機推理機知識庫人—機界面人—機界面客戶（機）Browser服務器WebServerInternet

5.２.3

專家系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)2023/2/649

7.３

專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示為了針對指定的符號串產(chǎn)生替換運算，美國數(shù)學家Post于1943年首次提出產(chǎn)生式系統(tǒng)(ProductionSystem)概念；后來，學者們又依據(jù)這種按指定方式產(chǎn)生輸出符號的思想，構(gòu)造了POST自動機，明確地提出了一種用“規(guī)則”進行信息加工的系統(tǒng)模型。隨后，產(chǎn)生式不斷發(fā)展。Markov提出了產(chǎn)生式系統(tǒng)的控制策略；Chomskey提出了文法分層概念和類似產(chǎn)生式生成的語言重寫規(guī)則；在此基礎上，計算機界學者成功地構(gòu)造了ALGOL60高級計算機語言；20世紀七十年代，Newell和Simon等學者在對人類認知模型研究中，開發(fā)了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)等。從此，產(chǎn)生式知識表示在人工智能中得到廣泛的應用，尤其Feigenbaum等人運用產(chǎn)生式知識表示，成功構(gòu)造了專家系統(tǒng)，取得了許多卓越的成就，推動了人工智能發(fā)展。

7.３.１產(chǎn)生式的提出2023/2/650

5.３

專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式知識表示與人們很多的思維習性十分吻合。例如，自然界中廣泛使用的各種因果關(guān)系，還有人們關(guān)于判斷的思維方式等，都可以歸納為諸如：“條件→結(jié)論”或“原因→結(jié)果”、“前提→操作”、“情況→行為”等結(jié)構(gòu)，它們都是產(chǎn)生式的知識表達形式。例如：

⑴

天下雨，地上濕。（“原因→結(jié)果”結(jié)構(gòu)）⑵

如果把冰加熱到0o以上，冰就會溶化為水。（“條件→結(jié)論”結(jié)構(gòu)）⑶“夜來風雨聲，花落知多少?！保ㄊ聦嵓捌溥M展結(jié)構(gòu)）⑷

若能找到一根合適的杠桿，就能撬起那座大山。（“前提→操作”

）⑸

“才飲長沙水，又食武昌魚?！?/p>

（事實及其進展結(jié)構(gòu)）⑹

剛才開機了，意味著發(fā)出了捕獲目標圖像的信號。（“情況→行為”）再如，人們好奇于“金剛石可在氧氣中燃燒而消失”的原因，就可用產(chǎn)生式知識表示的語言結(jié)構(gòu)來解釋：因為金剛石是由碳原子組成的，所以再硬的金剛石也可燃燒成為CO2，變成氣體消失了。

5.３.１產(chǎn)生式的結(jié)構(gòu)形式2023/2/651

5.３

專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示特點：產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)形象、生動，普遍存在，既符合客觀規(guī)律，又具有智能特性，極有挖掘研究價值。產(chǎn)生式還可以表現(xiàn)更復雜的情況：可把其表示為相互并立、分立、合成、嵌套等形式。例如，⑺四邊形∧四邊相等∧有一角是直角→正方形.⑻一個夏天∧甲到太白山游覽∧山上突然刮起寒風∧甲僅僅身穿單衣∧冰雹雪花紛紛飄落→氣候太寒冷了∧甲渾身打哆嗦.

5.３.１產(chǎn)生式的結(jié)構(gòu)形式更復雜的情況還有：

⑼中國的首都是北京?！?023/2/652

5.３

專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示

5.３.１產(chǎn)生式的結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生式的合成與分解：⑽設有規(guī)則R:((A∧B)∨(C∧D))∧((E∧F)∨G)→SR1:S1∧S2→SR2:S3∨S4

→S1R3:S5∨S6

→S2R4:A∧B

→S3

R5:C∧D

→S4

S3∨

S4S5∨S6S1∧S2R6:E∧F

→S5R7:G

→S62023/2/653

5.３

專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示

5.３.2

產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換⑽設有規(guī)則R:((A∧B)∨(C∧D))∧((E∧F)∨G)→S產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)換為與/或樹結(jié)構(gòu)來表示：S3∨

S4S5∨S6S1∧S2SBA

S1S２

S3

S4

CDS5

S6

EF

G2023/2/654

7.３

專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式系統(tǒng)組成：由產(chǎn)生式規(guī)則(ProductionRules)、綜合數(shù)據(jù)庫(GlobalDatabase)和控制策略(ControlStrategy)三部分組成如圖。由圖可見，綜合數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)生式規(guī)則是系統(tǒng)的具體知識與信息的存儲處理部件，是產(chǎn)生式系統(tǒng)的基礎部分；控制策略是系統(tǒng)的協(xié)同處理機構(gòu)，是產(chǎn)生式系統(tǒng)的指揮控制中心。產(chǎn)生式系統(tǒng)的知識表示主要體現(xiàn)于綜合數(shù)據(jù)庫與產(chǎn)生式規(guī)則的各自表示。

5.３.3

產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)與專家系統(tǒng)組成綜合數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生式規(guī)則匹配事實

調(diào)用規(guī)則控制策略2023/2/655

5.３

專家系統(tǒng)的產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式系統(tǒng)組成：由產(chǎn)生式規(guī)則(ProductionRules)、綜合數(shù)據(jù)庫(GlobalDatabase)和控制策略(ControlStrategy)三部分組成如圖。

5.３.3

產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)與專家系統(tǒng)組成綜合數(shù)據(jù)庫

控制

匹配事實調(diào)用規(guī)則

產(chǎn)生式規(guī)則(庫)

策略圖3產(chǎn)生式系統(tǒng)組成2023/2/656

5.3.3產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)與專家系統(tǒng)組成

綜合數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生式規(guī)則控制策略綜合數(shù)據(jù)庫的建造知識與數(shù)據(jù)庫推理機解釋部分（解釋器）知識的獲取機構(gòu)專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表1專家系統(tǒng)與產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)的關(guān)系

產(chǎn)生式系統(tǒng)組成2023/2/657

5.4

專家系統(tǒng)的建造與評價專家系統(tǒng)的性能需要從四方面來考慮：即方便性、有效性、可靠性和可維護性。專家系統(tǒng)設計的準則：由于考慮因素不同，角度不同，所給出的準則也不同。為了使所設計的專家系統(tǒng)便于實現(xiàn)，專家系統(tǒng)設計一般要求遵循以下基本原則：⑴知識庫和推理機分離。這是設計專家系統(tǒng)的基本原則。⑵盡量使用統(tǒng)一的知識表示方法。以便于系統(tǒng)對知識進行統(tǒng)一的處理、解釋和管理。⑶推理機應盡量簡化。把啟發(fā)性知識也盡可能地獨立出來，這樣既便于推理機的實現(xiàn)，同時也便于對問題的解釋。

5.4.１一般步驟與方法2023/2/658

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造專家系統(tǒng)的開發(fā)步驟:

一般所采取的步驟是一個傳統(tǒng)程序開發(fā)的循環(huán)形式，整個開發(fā)過程如圖5所示,由一系列動態(tài)過程組成。

5.4.１一般步驟與方法2023/2/659

5.4.１一般步驟與方法需求分析知識表示詳細設計實現(xiàn)編碼測試與評價管理與維護知識獲取初步設計圖7-5專家系統(tǒng)開發(fā)的生存周期模型

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造

在ES開發(fā)中，最初：不可能被很好理解，定義也不可能很完整，則初期開發(fā)過程只能自頂而下；過程中：在每一過程進行中，往往又需要不斷反復回溯；以修改已進行的過程。后期優(yōu)化：在過程的動態(tài)反復進行中，系統(tǒng)須不斷優(yōu)化，最終形成能滿足要求的實際系統(tǒng)。2023/2/660⑴需求分析。

在進行構(gòu)思和設計專家系統(tǒng)之前，首先必須搞清楚用戶需要一個什么樣的系統(tǒng)？要求具有什么功能？各項性能要求如何等。因此，需求分析做的好壞是系統(tǒng)最終成敗的一個關(guān)鍵，而且是專家系統(tǒng)的艱難開發(fā)過程的第一關(guān)。知識工程師要花很多時間反復向未來的用戶和領域?qū)＜姨岢龈鞣N問題，并共同討論解決各種問題的方法，寫出“需求分析報告”，根據(jù)專家與用戶們的評審意見，把需求分析報告改寫成“系統(tǒng)規(guī)格說明書”，并做出“系統(tǒng)開發(fā)計劃”。

5.4.１一般步驟與方法

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/661知識獲取是專家系統(tǒng)開發(fā)過程中最重要而困難的一步，被稱為專家系統(tǒng)開發(fā)的“瓶頸”。因此，在做了需求分析之后，就要開始尋找該領域內(nèi)合適的專家以及相應的資料來獲取知識。知識獲取需要知識工程師與領域?qū)＜业拿芮信浜虾椭С?，否則是不可能成功的。從某種意義上來說，知識是決定專家系統(tǒng)性能好壞的主要因素，知識獲取的成功幾乎就使系統(tǒng)成功了一半。這是一個反復進行，不斷修改、擴充；進行需求分析，知識表示，詳細設計，實現(xiàn)編碼、測試與評價，管理與維護的過程。

5.4.１一般步驟與方法⑵知識獲?。?023/2/662⑶知識表示：

在第3章中曾介紹了多種知識表示方法，不同的表示模式適合于表達不同類型的知識。因此，根據(jù)所選定的領域范圍和所獲取的知識，選定或設計一、二種表示方法來最合適地表示相應領域的知識是一項很重要的工作。值的指出的是，某些專家系統(tǒng)中的知識類型比較多，單一知識表示模式有時很難實現(xiàn)系統(tǒng)的任務要求。因此，在具體建造專家系統(tǒng)時，可采用多種知識表示方法有機結(jié)合的方法。這樣，可對不同類型的知識采用最合適的方法來表示，發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢。

5.4.１一般步驟與方法

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/663⑷初步設計：

這個階段所要完成的任務是從宏觀上初步確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，進行功能模塊的劃分，確定各功能模塊之間的相互關(guān)系（包括控制流和數(shù)據(jù)流等），畫出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，確定主要的用戶界面及相應的設計報告或說明書。在總的滿足需求分析的前提下，最終確定系統(tǒng)或模塊的性能指標，作為下一步詳細設計時要達到的目標。

7.4.１一般步驟與方法

7.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/664該階段要根據(jù)各功能模塊任務和性能的要求，完成各模塊的具體方案設計。具體要求設計數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機、知識獲取、解釋和用戶接口的實現(xiàn)方案。程序結(jié)構(gòu)的模塊化設計是詳細設計階段的主要方法。先將整個程序分解為若干模塊，每個模塊又分解為若干個子模塊，有的子模塊還可更進一步分解。明確各模塊和子模塊的功能及其入口和出口，以便不同的程序員可明確分工，分別編寫不同的模塊和子模塊。完成各模塊間接口的具體設計，要求界面清晰、互相聯(lián)系方便和高效。

5.4.１一般步驟與方法⑸詳細設計：2023/2/665

選擇合適的語言工具，這要根據(jù)具體情況而定，其中包括是否可能實現(xiàn)上面確定的詳細設計；軟件編程人員對語言或工具的熟練程度以及實現(xiàn)人員的水平；是否能表達所獲取的知識；可移植性和可維護性等?？蛇x擇使用某種“外殼”（Shell）來實現(xiàn)，將使這一工作變得簡單，僅需按規(guī)定要求，把知識庫與外殼連接起來并作必要的測試即可。還必須采用某種知識處理語言來實現(xiàn)各功能模塊，對各功能模塊進行詳細編碼與調(diào)試，并將這些模塊連接起來，再進行系統(tǒng)調(diào)試。

5.4.１一般步驟與方法⑹具體實現(xiàn)編碼。2023/2/666

功能模塊測試與評價，已在具體實現(xiàn)階段完成。而系統(tǒng)測試與評價的目的在于測試和評估整個系統(tǒng)的功能與性能，并進行必要的修改以達到在需求分析階段確定的功能與性能指標。系統(tǒng)的測試與評價必須有領域?qū)＜液陀脩魠⒓?，不僅要對程序編碼進行測試，同時也要對知識和推理進行測試與評價，界面是否滿足用戶的要求等。方法：選用測試實例與專家的處理結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)不合理或不滿意，則由開發(fā)人員具體修改，再進行下一輪測試，如此循環(huán)往復，不斷完善，直到最終達到預期目標。

5.4.１一般步驟與方法⑺系統(tǒng)測試與評價：2023/2/667

這是ES應用中的重要環(huán)節(jié)。ES系統(tǒng)經(jīng)過一定時間實際運行后,將積累一些經(jīng)驗和知識，并發(fā)現(xiàn)某些不足。因此，知識庫的知識要不斷增加與更新，以提高專家系統(tǒng)的適應性和問題求解能力。允許對其繼續(xù)進行修改與維護，當然這需要由豐富經(jīng)驗的人員完成。

5.4.１一般步驟與方法⑻系統(tǒng)管理與維護：2023/2/668可見，ES開發(fā)過程是一個漫長的“設計、實現(xiàn)、測試、修改、再設計、再實現(xiàn)、再測試、再修改、……”的不斷循環(huán)的反復過程。例如通過系統(tǒng)測試與評價，要檢查整個專家系統(tǒng)的正確性與實用性，以便于系統(tǒng)進行修改與完善，或者是可以提供用戶使用。其次，上述各開發(fā)階段往往是不能截然分開的。例如，知識獲取和表示與實現(xiàn)過程互相滲透，密切相關(guān)。在測試中知識工程師們可能要不斷地修改系統(tǒng)的各個部分，也可能要不斷地修改已獲取的知識，從而有可能要重新形成規(guī)則，或需要重新設計知識表示方法，發(fā)現(xiàn)新概念或取消舊概念，甚至可能重新進行需求分析。

5.4.１一般步驟與方法

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/669專家系統(tǒng)性能優(yōu)劣與知識的數(shù)量與質(zhì)量有關(guān)．一般而言，對專家系統(tǒng)知識表示有如下要求：⑴表示能力：能將問題求解所需知識有效正確表達。⑵可理解性：所表達的知識簡單、明了、易于理解。⑶可訪問性：能夠有效地利用所表達的知識。⑷可擴充性：能夠方便、靈活地對知識進行擴充。

5.4.２專家系統(tǒng)知識表示與知識描述

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/670

專家系統(tǒng)知識表示:已在AI領域中發(fā)展了多種知識表達方法。從實現(xiàn)的技術(shù)特征上大致分兩類：

1）說明性方法：可把大多數(shù)的知識可以表示為一個穩(wěn)定的事實集合。這種方法嚴密性強，易于模塊化，具有推理的完備性，但推理的效率比較低。

2）過程性方法：把知識表達為應用該知識的過程。這種方法不易擴充，但推理效率比較高。

究竟采用哪種方法好，要具體情況具體分析確定。

5.4.２專家系統(tǒng)知識表示與知識描述

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/671知識描述：選擇或設計某種知識表示形式，設計相應的知識描述語言。要求該語言既要面向用戶，又要面向機器推理、機器知識的表示和運用。即要求該描述語言既能為用戶提供一種方便、易懂的外部知識表達形式，又能將這種外部表示轉(zhuǎn)換成容易存儲、管理、運用的內(nèi)部形式。

1）可用現(xiàn)有的程序設計語言作為知識描述語言，如PROLOG、LISP、C++等；

2）也可以選用專用的如產(chǎn)生式語言OPS、框架語言KPL等；

3）還可選擇現(xiàn)成的ES工具來描述，如KAS、EMYCIN等。當然還可自行動手設計等。

5.4.２專家系統(tǒng)知識表示與知識描述

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/672

知識庫是專家系統(tǒng)的核心，知識庫的質(zhì)量直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能和效率。

1）知識庫的結(jié)構(gòu)：對知識庫設計，主要在于設計知識庫的結(jié)構(gòu)及其知識組織形式。ES知識庫，一般取層次結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模式。

2）結(jié)構(gòu)特點：該結(jié)構(gòu)模式是把知識按某種原則進行分類，然后分塊分層組織存放。諸如按元知識、專家知識、領域知識等分層組織，而每一塊和每一層還可以再分塊分層。這樣，整個知識庫就呈樹型或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種層次結(jié)構(gòu)，可方便知識的調(diào)度和搜索，加快推理速度，提高效率；采用分塊存放，便于更經(jīng)濟地利用知識庫空間。

5.4.３知識庫與知識庫管理系統(tǒng)

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/673知識庫管理系統(tǒng)設計：

知識庫的建立、刪除、重組及維護和知識的錄入、查詢、更新、優(yōu)化等，還有知識的完整性、一致性、冗余性檢查和安全保護等方面的工作都是對知識的管理，是提高整個系統(tǒng)性能和效率的保證，對知識的這些管理是由知識庫管理系統(tǒng)來完成。

5.4.３知識庫與知識庫管理系統(tǒng)

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/674知識庫管理系統(tǒng)的設計中要做到下面三個方面：⑴知識操作功能設計。包括添加、刪除、修改、查詢和統(tǒng)計等，這些功能可采用兩種方法來實現(xiàn)。①利用屏幕窗口，通過人機對話方式實現(xiàn)知識的增、刪、改、查等；②用全屏幕編輯方式，讓用戶直接用鍵盤按知識描述語言的語法格式編輯知識。⑵知識檢查功能設計。檢查知識的一致性、完整性、冗余性等。⑶知識庫操作設計。包括知識庫（文件）的建立、刪除、分解、合并等。其中知識庫的分解和合并功能類似于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的投影、選擇和連接操作，實現(xiàn)的是知識庫的重組。因為隨著系統(tǒng)的運行，可能會發(fā)現(xiàn)原先的知識組合不盡合理，從而需要使用分解與合并來重組。

5.4.３知識庫與知識庫管理系統(tǒng)

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/675例如，①知識的一致性。所謂知識的一致性，就是知識庫中的知識必須是相容的，即無矛盾。例如，下面的兩條規(guī)則r1：ifPthenQr2：ifPthen~Q它們就是矛盾的。再如，設有如下產(chǎn)生式規(guī)則r1：ifPthenQr2：ifQthenRr3：ifRthenSr4：ifPthenTr5：ifTthen~S

5.4.３知識庫與知識庫管理系統(tǒng)

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/676

其中，r1，r2，r3是一條規(guī)則鏈；r4，r5是另一條規(guī)則鏈。它們有相同的初始條件，即P。此時，這兩條規(guī)則鏈也是矛盾的。那么，對于這樣的矛盾規(guī)則或矛盾規(guī)則鏈，不能讓它們共處同一個知識庫中，必須從中舍棄一個，具體需征求領域?qū)＜业囊庖姟?/p>

②知識的完整性。所謂完整性，是指知識中的約束條件，應為完整性約束。例如，小王身高x米，則必須滿足：x＜3；又如，弟弟今年m歲，哥哥今年n歲，則必須滿足m＜n。否則就破壞了知識的完整性。

5.4.３知識庫與知識庫管理系統(tǒng)

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/677③知識的冗余性。所謂冗余性，就是指知識庫中存在多余的知識或者存在多余的約束條件。冗余性檢查就是檢查知識庫中的知識是否存在冗余，并對冗余內(nèi)容進行修改或刪除，使得系統(tǒng)中不存在冗余現(xiàn)象。例如，下面的三條規(guī)則r1：ifPthenQr2：ifQthenRr3：ifPthenR

若它們同時存在于一個知識庫中，則就出現(xiàn)了冗余。因為，由r1和r2就可推出r3。所以，r3實際是多余的。

5.4.３知識庫與知識庫管理系統(tǒng)

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/678

其實推理機的設計，就是根據(jù)知識表達、知識推理方法和推理控制策略，設計具有求解專門問題、進行推理功能的自動推理計算機軟件系統(tǒng)。推理機是一個較復雜的部件，其功能的強弱將直接影響到專家系統(tǒng)的性能，推理機的推理是基于知識庫中的知識進行的。所以，推理機就必須與知識庫及其知識相適應、相配套。具體來講，就是推理機必須與知識庫的結(jié)構(gòu)、層次以及其中知識的具體表示形式等相協(xié)調(diào)、相匹配。否則，推理機與知識庫將無法接軌。

5.4.４推理機與解釋機構(gòu)設計

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/679

設計推理機時要考慮如下：⑴控制策略與推理方向選擇：

①數(shù)據(jù)驅(qū)動控制，即正向推理。其優(yōu)點是：用戶可主動提供數(shù)據(jù)信息，適用于“解空間”大的問題，如設計、管理。

②目標驅(qū)動控制，即反向推理。其優(yōu)點是：推理目的明確，便于推理過程解釋。

③混合控制，即數(shù)據(jù)驅(qū)動與目標驅(qū)動相結(jié)合，由數(shù)據(jù)驅(qū)動選擇目標，而由目標驅(qū)動進行求解。

5.4.４推理機與解釋機構(gòu)設計

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/680⑵推理方法選擇與結(jié)合。

知識推理方法選擇與知識表達方法有關(guān)，表達方法的結(jié)合也導致推理方法的結(jié)合。啟發(fā)推理與算法推理相結(jié)合可以取長補短。如：

①啟發(fā)推理：用于淺層知識、常識性知識、不確定知識推理等。

②算法推理：用于深層知識、數(shù)學模型、確定性邏輯推理等。

5.4.４推理機與解釋機構(gòu)設計

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/681⑶推理效果與推理效率：

①推理效果：即推理的正確性和有效性。對可解的問題能求得解答，能正確地利用和選取知識，控制和中止推理過程，避免“死循環(huán)”。

②推理效率：即推理速度和求解時間的問題。為了提高推理效率，要充分利用啟發(fā)信息，延緩或避免“組合爆炸”，降低推理和控制的代價（時間耗費），實現(xiàn)最經(jīng)濟推理。另外，在設計推理機時，還要考慮是采用精確推理，還是不精確推理？是串行推理，還是并行推理？是單調(diào)推理，還是非單調(diào)推理？是用歸納法，還是用自然演繹法等問題。

5.4.４推理機與解釋機構(gòu)設計

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/682解釋機構(gòu)的設計：專家系統(tǒng)一般要求要有解釋功能，回答用戶在推理過程中“為什么”之類的問題及在推理結(jié)束后回答“怎么樣（得到結(jié)果）”之類的問題。從系統(tǒng)功能上講，一般是將解釋作為一個獨立的模塊來處理，但在結(jié)構(gòu)上，由于要解釋就必須對推理進行實時跟蹤，因此，解釋機構(gòu)常與推理機的設計同時考慮和進行。也就是說，解釋機構(gòu)模塊應作為推理機的一部分進行設計。

5.4.４推理機與解釋機構(gòu)設計

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/683系統(tǒng)向用戶提出各種問題，請求用戶交互地給予回答。其目的是專家系統(tǒng)在執(zhí)行過程中對任何需要的而系統(tǒng)中不能自身解決的問題都可求助于向用戶提問。各種問題求解結(jié)論的輸出（顯示、打印或繪圖等）可以是文字或圖表等。實現(xiàn)對用戶要求的解釋信息的輸出。專家系統(tǒng)與知識工程師或領域?qū)＜业慕涌谶@里通常指知識獲取界面，其功能為：輸入知識，包括對知識庫內(nèi)容的插入、刪除和修改等，以便擴充、更新知識庫；顯示知識庫的內(nèi)容，以便于進行檢索和抽取，并對知識庫進行維護。

5.4.５人機界面設計

5.4

專家系統(tǒng)的開發(fā)與建造2023/2/684

5.5

專家系統(tǒng)的評價

從本質(zhì)上講，ES的質(zhì)量取決于計算機工程師的水平、專家的水平以及他們合作的成功度。因此，評價一個專家系統(tǒng)幾乎與評價建造該系統(tǒng)的學者和專家水平等同?？梢娺@是一個非常困難的問題。公正的評價只能通過實踐和時間來檢驗。然而

一個好的ES的應具有三大特性：

⑴啟發(fā)性；

⑵透明性；

⑶實用靈活性。評價一個ES系統(tǒng)，一般最重視的是符合率，而不是準確率。2023/2/685

5.5

專家系統(tǒng)的評價

ES的評價包括對建造完成的專家系統(tǒng)各個性能指標進行全面測試，以檢查系統(tǒng)是否達到原先制定的性能標準。對專家系統(tǒng)的評價，大致包括以下方面：

⑴評價系統(tǒng)的性能。

看其是否達到性能標準，具有領域?qū)＜业乃?，是否達到實用程度。

⑵評價系統(tǒng)的靈活性。

看知識庫的知識是否便于修改、擴充。

⑶評價系統(tǒng)的易了解性。

即專家系統(tǒng)的解題過程和系統(tǒng)本身是否容易被用戶和系統(tǒng)維護人員了解。2023/2/686

5.5

專家系統(tǒng)的評價⑷評價系統(tǒng)的可用性。

主要從系統(tǒng)使用方法的簡單易行，人機交互手段的直觀性、系統(tǒng)效率以及推廣應用前景等方面進行評價。

⑸評價系統(tǒng)的效益。

即系統(tǒng)的應用能否產(chǎn)生經(jīng)濟效益和社會效益，產(chǎn)出是否大于投入。

⑹評價系統(tǒng)的意義。

看系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)對促進專家系統(tǒng)的發(fā)展和推廣是否有積極意義，系統(tǒng)的應用對國民經(jīng)濟的發(fā)展能否產(chǎn)生重大的影響。

上述評價內(nèi)容按次序形成一個由低到高的層次結(jié)構(gòu)，只有通過較低級的評價才能進入較高級的評價。例如，若系統(tǒng)的性能很差，評價其它原則就失去了意義。

2023/2/687

5.5

專家系統(tǒng)的評價

專家系統(tǒng)的評價通常由3個階段組成：(1)系統(tǒng)開發(fā)過程中的評價。本階段從系統(tǒng)開發(fā)初期直到系統(tǒng)完成，由參加系統(tǒng)開發(fā)的知識工程師和領域?qū)＜襾磉M行。這里，領域?qū)＜谊P(guān)心的是系統(tǒng)的性能和解題效率，而知識工程師還要考慮系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)對系統(tǒng)工作情況的影響。(2)系統(tǒng)基本完成后的評價。由同行專家和專業(yè)人員對系統(tǒng)進行正式評價，其目的是對系統(tǒng)進行較為廣泛而客觀的評價。評價的方法可以采用鑒定會或散發(fā)調(diào)查表的方法。(3)在用戶環(huán)境下進行測試和評價。這一工作在專家系統(tǒng)鑒定后，主要由各種用戶在系統(tǒng)上運行大量實例來評價系統(tǒng)的性能和實用性，這是系統(tǒng)正式投入運行之前必不可少的工作。

2023/2/688

5.5

專家系統(tǒng)的評價

通常評價專家系統(tǒng)可以使用兩種方法：1、“雙盲測試”法：這是一種比較客觀的方法。

(1)準備測試集；

(2)雙盲解題；

(3)專家評議；

(4)

客觀比較；

(5)

用戶報告。2、“層次分析”評價法：

(1)明確評價目的，確定評價指標；

(2)劃分層次，頂層(目的)，中層(指標)，低層(替代方案表)；

(3)逐層逐項測試比較；

(4)確定各層各項的加權(quán)系數(shù)；

(5)

總計評價比較的結(jié)果。2023/2/689

5.5

專家系統(tǒng)的評價

評價專家系統(tǒng)的性能主要依據(jù)兩方面意見：

(1)利用實際的反饋信息評價系統(tǒng)。

用實際反饋信息評價系統(tǒng)的優(yōu)點是客觀，但是有些問題在短期內(nèi)不易獲得實際反饋信息，故使用該法有局限性。

(2)同行專家的評議。

一種常用的方法是請同行專家評議專家系統(tǒng)所得的結(jié)論的正確性。另一種就是利用“雙盲測試法”，即系統(tǒng)和評議專家在互不知道對方結(jié)論的情況下，各自求解相同的問題，然后比較結(jié)論，看是否一致。

由于評價專家系統(tǒng)的工作量比較大，現(xiàn)在已開始借助一些評價工具來評價專家系統(tǒng)。例如，已研制成功用于分析似然推理算法準確性的程序，用來比較系統(tǒng)計算的結(jié)果和實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)的差別等。

2023/2/690

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具ES開發(fā)工具是一類程序設計系統(tǒng)，它是在70年代中期開始發(fā)展起來，迄今已有數(shù)以百計各式各樣的專家系統(tǒng)開發(fā)工具，主要有：智能程序設計語言、專家系統(tǒng)外殼、專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境等類型。作為專家系統(tǒng)的開發(fā)工具，它一般應包括以下五個方面：（1）一種或多種固定的知識表示方法，并有相應的內(nèi)部編碼形式。（2）具有知識編輯器，能以交互方式輸入知識并自動建立知識庫。（3）具有知識庫維護和管理機制，處理知識庫中的矛盾、冗余和其它一些不一致性，以及知識的存儲、運籌和調(diào)度。（4）提供一套或多套推理機制，與由知識編輯器建立的知識庫一起實現(xiàn)實際問題的求解。（5）設置一個跟蹤解釋機制，幫助用戶理解系統(tǒng)求解的結(jié)論，并能便于定位知識庫中的錯誤和不完善的問題。2023/2/691ES程序設計語言：一般分為AI專用語言、知識表示語言和通用型語言三大類。1）面向人工智能的程序設計語言：如LISP、PROLOG等。特點：通用性強，與領域無關(guān)，用戶能根據(jù)需要自由地設計系統(tǒng)。

5.6.１智能程序設計語言

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具2023/2/6922）知識表示語言：即通用型知識表達語言，諸如產(chǎn)生式語言系統(tǒng)OPS5；基于框架理論的知識表示語言FRL；還有一些集中了多種編程方式的知識表示語言，如LOOPS——一種面向?qū)ο?、?shù)據(jù)、規(guī)則及其多知識表示的組合式語言。特點：不局限于任一特殊控制策略，廣泛適用于一般問題；但受到語言結(jié)構(gòu)自身設計限制。

5.6.１智能程序設計語言

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具2023/2/6933）通用型語言：

由于面向?qū)ο蟮闹R表示方法特別適合于大型知識庫系統(tǒng)的開發(fā)，被廣泛應用于專家系統(tǒng)程序設計中。如java、VC++等，都已成為廣泛使用的AI程序設計語言之一。

5.6.１智能程序設計語言

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具2023/2/694

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具ES外殼和ES開發(fā)環(huán)境比一般的計算機高級語言具有更強的功能，它們是一種更高級的計算機程序設計語言。專家系統(tǒng)外殼又稱為骨架系統(tǒng)，是由已有的成功專家系統(tǒng)演化而來的。它抽出了原系統(tǒng)中具體領域知識，保留原系統(tǒng)的知識庫及推理機結(jié)構(gòu)基本骨架，所以稱為“外殼”。

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/695

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具利用ES外殼作開發(fā)工具，只要將新的領域知識填充到ES中去，就可以生成新的專家系統(tǒng)。ES外殼的知識庫結(jié)構(gòu)及管理機制、推理機結(jié)構(gòu)及控制機制、人機接口及輔助工具都可為新系統(tǒng)提供服務和支持。因此，使用這種工具開發(fā)效率高，當然限制也較多，故靈活性也差一些。

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/696EMYCIN專家系統(tǒng)外殼EMYCIN是由Stanford大學的VanMelle于1980年開發(fā)的一個ES外殼，是由MYCIN抽去原有的醫(yī)學領域知識，保留外殼而形成的。采用產(chǎn)生式規(guī)則表達知識，目標驅(qū)動的反向推理控制策略，特別適用于診斷型ES的開發(fā)。

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/697EMYCIN可提供MYCIN所有的輔助工具，如：⑴推理解釋程序及可信度估算。⑵知識編輯程序及類似英語的簡化會話語言。⑶知識庫管理和維護手段。如一致性檢查、跟蹤、查錯等。⑷系統(tǒng)測試實例。

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/698KAS專家系統(tǒng)外殼KAS系統(tǒng)是由PROSPECTOR系統(tǒng)抽去原有的地質(zhì)勘探知識而形成的。它采用語義網(wǎng)絡和產(chǎn)生式規(guī)則相結(jié)合的知識表達方式，以及啟發(fā)式雙向推理控制策略。適用于開發(fā)解釋型的專家咨詢系統(tǒng)。

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/699KAS可提供的輔助工具，如:⑴知識編輯系統(tǒng)，用于知識獲取、修改與擴充知識庫，可直接操作和反饋修改結(jié)果。

⑵推理解釋系統(tǒng)。

⑶用戶問答系統(tǒng)。

⑷英語分析器。

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/6100

EXPERT系統(tǒng)是由CASNET系統(tǒng)抽去原有醫(yī)學領域知識而形成的。適用于診斷、分類的專家咨詢系統(tǒng)的開發(fā)。它采用產(chǎn)生式規(guī)則表達知識，有如下三種形式:FF規(guī)則；

FH規(guī)則和

HH規(guī)則。

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/6101⑴FF規(guī)則：用于從已知的事實推知另一些事實的真值，從而可省去對后者的提問，被FF規(guī)則推導出來的事實只取邏輯值和“不知道”值。例如

F(A，T)→F(B，F(xiàn))表示如果已知事實A為真，則事實B一定為假。

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/6102

⑵FH規(guī)則：用于指出事實與假設之間的邏輯關(guān)系，并用一個可信度指出肯定或否定一個假設有多大把握。例如

F(A，0:50)&[2:F(B,T),F(C,T),F(D,F)]

→H(E,0.8)

它表示若第一個事實（A取值在0到50之間）成立,而后面三個事實（B為真，C為真，D為假）中有兩個成立，則假設E成立的可能性為0.8。

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/6103⑶HH規(guī)則：用于指出假設與假設之間的推理關(guān)系，EXPERT規(guī)定出現(xiàn)在規(guī)則左部的假設的確定性程度需用一個數(shù)值區(qū)間來指出。例如

H(A，0.2:1)&H(B,0.1:1)→H(C,1)

它表示如果對假設A有0.2到1的把握，并且對假設B有0.1到1的把握程度，則可得出結(jié)論C，其把握程度為100%。

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具

5.6.２專家系統(tǒng)外殼

2023/2/6104

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具ES開發(fā)環(huán)境是一種程序模塊組合下的系統(tǒng)開發(fā)輔助工具。它為ES的開發(fā)提供多種支持。其基本思想：兼顧有效性和通用性，為用戶提供各種用于知識表達、推理，知識庫管理，推理機控制和有關(guān)輔助工具的預制構(gòu)件及用于組裝所需模塊；提供用戶要開發(fā)ES的一套組合規(guī)則。

這樣，如果用戶掌握了組合規(guī)則，適當選擇模塊，就可以方便地組裝成所需的專家系統(tǒng)。

5.6.３專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

2023/2/6105

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具目前，ES開發(fā)環(huán)境主要有兩類：

1）設計輔助工具：如AGE可幫助設計者開發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；

2）知識獲取輔助工具：如TEIRESIAS，可幫助獲得和表達領域?qū)＜业闹R。

5.6.３專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

2023/2/6106

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具AGE是由美國Stanford大學用INTERLISP語言實現(xiàn)的專家系統(tǒng)工具，該系統(tǒng)能幫助知識工程師設計并構(gòu)造專家系統(tǒng)。AGE給用戶提供了一整套、像積木塊那樣的組件，利用它能夠“裝配”成專家系統(tǒng)。它包括以下四個子系統(tǒng)：⑴設計子系統(tǒng)：在系統(tǒng)設計方面指導用戶使用組合規(guī)則的預組合模型。⑵編輯子系統(tǒng)：輔助用戶選用預制構(gòu)件模塊，裝入領域知識和控制信息，建造知識庫。⑶解釋子系統(tǒng)：執(zhí)行用戶的程序，進行知識推理以求解問題，并提供查錯手段，建造推理機。⑷跟蹤子系統(tǒng)：為用戶開發(fā)的專家系統(tǒng)的運行進行全面的跟蹤和測試。

5.6.３專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

2023/2/6107

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具TEIRESIAS：

知識獲取是專家系統(tǒng)設計和開發(fā)中的難題，而TEIRESIAS系統(tǒng)能幫助知識工程師把一個領域?qū)＜业闹R植入知識庫，是一典型的知識獲取工具，它利用元知識來進行知識獲取和管理。5.6.３專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

2023/2/6108

5.6

專家系統(tǒng)的開發(fā)工具TEIRESIAS系統(tǒng)具有下列功能：

⑴知識獲?。篢EIRESIAS能理解專家以特定的非口語化的自然語言表達的領域知識。

⑵知識庫調(diào)試：它能幫助用戶發(fā)現(xiàn)知識庫的缺陷、提出修改意見，用戶不必了解知識庫的細節(jié)就可方便地調(diào)試知識庫。

⑶推理指導：它能利用元知識對系統(tǒng)的推理進行指導。

⑷系統(tǒng)維護：它可幫助專家查找系統(tǒng)診斷錯誤的原因，并在專家指導下進行修正或?qū)W習。

⑸運行監(jiān)控：能對系統(tǒng)的運行狀態(tài)和診斷推理過程進行監(jiān)控。

5.6.３