專家系統(tǒng)第2章專家系統(tǒng)概述

2024/11/11ExpertSystemsandApplication1Chapter2ExpertSystems

第2章專家系統(tǒng)概述

ES的研制促進了AI理論和技術(shù)的發(fā)展，開辟了計算機求解非數(shù)值問題的有效途徑。

ES已經(jīng)成為世界各國最熱門的、具有競爭性的研究課題，日本、美國、英國等國家紛紛將ES列為國家重點研究項目，投入了大量的人力和資金。日本把ES作為第五代計算機研究的核心內(nèi)容，英國將ES/智能數(shù)據(jù)庫列入國家四大重點項目。我國對于ES的研究起步較晚，但在理論研究和應用開發(fā)方面取得了很大進展，在中醫(yī)治療、油井記錄分析、地震預測、氣象預報、軍事理論、作戰(zhàn)模擬、戰(zhàn)場管理等方面研制出一批ES，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會影響。2024/11/11ExpertSystemsandApplication2Chapter2ExpertSystems2.1ES概述專家——在某一專業(yè)領域內(nèi)，其專業(yè)知識與解決問題的能力達到很高水平的學者。專家的能力——專家對某一領域的理解及解決問題的技能。專業(yè)知識——分為公開知識和個人知識。公開知識包括定義、事實和理論，一般收錄在教科書和文獻中。個人知識來源于專家本人的積累和經(jīng)驗，也稱為試驗性知識或啟發(fā)性知識。屬于公開性知識之外的試驗性知識能夠使專家在需要的時候做出合理的猜測，識別最有希望獲得成功的求解途徑，并能有效地處理錯誤和不完全的數(shù)據(jù)。2024/11/11ExpertSystemsandApplication3Chapter2ExpertSystems（1）專家系統(tǒng)是利用存儲在計算機中的某一特定領域人類專家的知識，來解決過去需要人類專家才能解決的復雜現(xiàn)實問題的計算機系統(tǒng)。如：醫(yī)學專家可以針對不同的病癥做出恰當?shù)脑\斷，并開具相應的處方；地質(zhì)專家可以根據(jù)地質(zhì)資料和勘探數(shù)據(jù)，判斷什么地方有礦及是否有開采價值；其他領域的專家可以依據(jù)他們的學識、積累的經(jīng)驗和練就的本領，解決現(xiàn)實中一般人一時無法解決的復雜問題。（2）專家系統(tǒng)是一個由存放專門領域知識的數(shù)據(jù)庫，以及一個能選擇和運用知識的推理機制組成的計算機系統(tǒng)。（3）專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)計算機程序的根本區(qū)別在于：專家系統(tǒng)使知識庫和運用知識的推理機制相互獨立。2024/11/11ExpertSystemsandApplication4Chapter2ExpertSystems4）從程序設計方法學的角度看設計方法

傳統(tǒng)的程序設計方法：數(shù)據(jù)+算法=程序?qū)＜蚁到y(tǒng)的設計方法：知識+推理=系統(tǒng)可見，傳統(tǒng)程序通過算法對大量的數(shù)據(jù)進行積累和處理，使繁瑣的事務處理自動化；專家系統(tǒng)則要完成需要擁有專門知識的專家才能完成的量大而性質(zhì)相對重要的任務，如診斷、規(guī)劃、決策等。通常，專家系統(tǒng)需要考察大量的可能性，即動態(tài)地建立解決問題的方法。2024/11/11ExpertSystemsandApplication5Chapter2ExpertSystems2.2ES的功能與結(jié)構(gòu)2.2.1ES的功能（1）ES能存儲用于問題求解所需要的知識；（2）能存儲具體問題求解的初始數(shù)據(jù)和推理過程中涉及到的各種信息，如中間結(jié)果、目標、子目標、假設等；（3）能根據(jù)當前輸入或采集的數(shù)據(jù)，利用已有的知識，按照一定的推理策略解決當前的問題，并控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)；（4）能對推理過程、結(jié)論或系統(tǒng)自身行為做出必要的解釋，如解題步驟、處理策略、選擇此處理方法的理由、系統(tǒng)求解某種問題的能力、系統(tǒng)組織和管理自身知識的方法等。目的是便于用戶理解和接受專家系統(tǒng)，也便于對系統(tǒng)進行維護。2024/11/11ExpertSystemsandApplication6Chapter2ExpertSystems2.2.2專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1）基本結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括知識庫和推理機兩個主要部分。特點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；知識工程師與領域?qū)＜抑苯咏换?，知識工程師收集和整理領域?qū)＜业闹R，將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)部表示形式，并存儲到知識庫中；推理機根據(jù)用戶的問題求解要求和提供的初始數(shù)據(jù)，運用知識庫中的知識對問題進行求解，并將產(chǎn)生的結(jié)果（結(jié)論）輸出給用戶。知識庫知識工程師領域?qū)＜彝评頇C結(jié)果數(shù)據(jù)用戶圖2-1專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2024/11/11ExpertSystemsandApplication7Chapter2ExpertSystems2）一般結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的下述結(jié)構(gòu)是目前比較流行的結(jié)構(gòu)形式。人機接口用戶專家推理機解釋程序知識獲取程序綜合數(shù)據(jù)庫知識庫圖2-2專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)2024/11/11ExpertSystemsandApplication8Chapter2ExpertSystems（1）知識庫——用以存放領域?qū)＜姨峁┑膶ｉT知識。包括書本知識、常識性知識以及專家依據(jù)其經(jīng)驗得到的試探性知識。專家系統(tǒng)的問題求解是運用專家提供的專門知識來模擬專家的思維方式進行的，知識庫中知識的數(shù)量和質(zhì)量是系統(tǒng)性能和問題求解能力的關鍵因素。因此，知識庫的建立是建造專家系統(tǒng)的中心任務。（2）綜合數(shù)據(jù)庫——用于存放關于問題求解的初始數(shù)據(jù)、求解狀態(tài)、中間結(jié)果、假設、目標以及最終求解結(jié)果。2024/11/11ExpertSystemsandApplication9Chapter2ExpertSystems（3）推理機——在控制策略下，針對綜合數(shù)據(jù)庫當前的信息，識別和選取知識庫對當前問題求解有用的知識進行推理。由于知識的不完全和不確定，故其推理過程一般采用不精確推理。（4）知識獲取程序——在專家系統(tǒng)的知識庫建造過程中，用以部分代替知識工程師進行專門知識的自動獲取，實現(xiàn)專家系統(tǒng)的自學習功能，使知識庫不斷得到完善。2024/11/11ExpertSystemsandApplication10Chapter2ExpertSystems（5）解釋程序——根據(jù)用戶的提問，對系統(tǒng)給出的結(jié)論、求解過程以及系統(tǒng)當前的求解狀態(tài)提供說明，便于用戶理解系統(tǒng)的問題求解，增強用戶對求解結(jié)果的信任程度，也便于專家或知識工程師發(fā)現(xiàn)和定位知識庫中的錯誤，也便于專業(yè)人員能從問題的求解過程中得到直觀的學習。（6）人機接口——將專家或用戶輸入的信息翻譯為系統(tǒng)可接受的內(nèi)部形式，把系統(tǒng)向?qū)＜一蛴脩糨敵龅男畔⑥D(zhuǎn)換成人能夠理解的外部形式。2024/11/11ExpertSystemsandApplication11Chapter2ExpertSystems2.3ES的基本特征1）具有人類專家水平的專門領域知識。2）具有符號處理能力。

專家系統(tǒng)使用符號推理，能用符號準確地表示某一領域有關的信息和知識，并對其進行各種處理和推理。3）具有一般問題的求解能力。

能夠做一般的邏輯推理、目標搜索、常識處理等工作。而且，專家系統(tǒng)往往采取試探性方式進行處理。為了使問題求解更符合實際情況，往往采用不精確推理。2024/11/11ExpertSystemsandApplication12Chapter2ExpertSystems4）復雜度與難度。

專家系統(tǒng)擁有專門領域知識，涉及的面一般比較窄，但卻具有相當?shù)膹碗s程度與難度。5）具有解釋功能。解釋機制在專家系統(tǒng)建造時一般由一個獨立的模塊來實現(xiàn)，其設計水平的優(yōu)劣對專家系統(tǒng)的性能影響很大。6）具有一定的獲取知識的能力。7）知識與推理機構(gòu)相互獨立。專家系統(tǒng)一般把知識與推理機構(gòu)分開，使系統(tǒng)具有良好的可擴充性和可維護性。2024/11/11ExpertSystemsandApplication13Chapter2ExpertSystems

綜上所述，專家系統(tǒng)應該具有三個顯著的特征：啟發(fā)性——不僅能使用邏輯知識，也能使用啟發(fā)性知識，運用規(guī)范的專門知識和直覺的評判知識進行判斷、推理和聯(lián)想，實現(xiàn)問題的求解。透明性——使用戶在對專家系統(tǒng)不了解的情況下，可以進行交互，并了解知識的內(nèi)容和推理思路。系統(tǒng)還能回答一些有關系統(tǒng)自身行為的問題。靈活性——由于專家系統(tǒng)的知識和推理機分離，使系統(tǒng)能不斷接納新知識，調(diào)整有關控制信息和結(jié)構(gòu)，確保推理機和知識庫的協(xié)調(diào)，也便于系統(tǒng)的修改和擴充。2024/11/11ExpertSystemsandApplication14Chapter2ExpertSystems2.4ES的分類按照專家系統(tǒng)的應用領域分類醫(yī)療專家系統(tǒng)，勘探專家系統(tǒng)，數(shù)學專家系統(tǒng)等。按照知識表示技術(shù)分類基于邏輯的專家系統(tǒng)，基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，基于語義的專家系統(tǒng)，基于框架的專家系統(tǒng)等。按照推理控制策略分類正向推理專家系統(tǒng)，反向推理專家系統(tǒng)，元控制專家系統(tǒng)等。按照分類問題與構(gòu)造問題分類

分類問題與分析型專家系統(tǒng)，構(gòu)造問題與設計型專家系統(tǒng)等。2024/11/11ExpertSystemsandApplication15Chapter2ExpertSystems2.5ES的作用和意義1）計算機科學和應用發(fā)展的需要。2）作為一種實用工具，為人類專家寶貴知識的保存、傳播、使用和評價提供有效的手段。3）可以延伸人類專家的能力。4）能匯集問題領域多個專家的知識和經(jīng)驗。5）專家系統(tǒng)的研制和推廣應用具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。2024/11/11ExpertSystemsandApplication16Chapter2ExpertSystems2.6ES的優(yōu)點1）能夠高效率、準確、周到、迅速和不知疲倦地工作。2）解決實際問題時不受外界和周圍環(huán)境的影響，也不會發(fā)生遺漏和忘記。3）可以使人類專家的專長和能力不熟時間和空間的限制，以便推廣西貴和稀缺的人類專家的知識和經(jīng)驗。4）專家系統(tǒng)能促進各領域的發(fā)展，能使各領域?qū)＜业膶I(yè)知識和經(jīng)驗得到總結(jié)和提煉，能廣泛的傳播專家的知識、經(jīng)驗和能力。5）專家系統(tǒng)能匯集多領域?qū)＜业闹R、經(jīng)驗以及他們寫作解決重大問題的能力，使之擁有更淵博的知識、更豐富的經(jīng)驗和更強的工作能力。2024/11/11ExpertSystemsandApplication17Chapter2ExpertSystems6）軍事專家系統(tǒng)的水平是一個國家國防現(xiàn)代化的重要標志之一。7）專家系統(tǒng)的研制和應用具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。8）研究