1、Donghua Univ.Donghua Univ.Professor Tao GongCollege of Info S&T2014/09Book: Artificial Immune System Based on Normal Model and Its Applications, Tsinghua University Press, 2011Network Course: http:/ Representation, Search Ch1 Representation, Search and Reasoning of Knowledgeand Reasoning of Knowledg
2、eISCTao GongCollege of Information Science and Technology, DHU2CH1CH1 Representation, Search and Representation, Search and Reasoning of KnowledgeReasoning of KnowledgeConcepts and Designs of Expert SystemsSearch and Reasoning of KnowledgeKnowledge Representation of symbolicismThree Major Groups of
3、AIISC3Nowadays, the major groups of artificial intelligence (AI) include the following three ones:(1)Symbolicism, or called logicism, psychologism, computerism: its principles include the physical symbol system (i.e. symbol operation system) hypothesis and limited rationality principle.(2)Connection
4、ism, or called bionicsism, physiologism: its principles include neural networks, the connection mechanism among the neural networks, and learning algorithms.(3)Actionism, or called evolutionism, cyberneticsism: its principles include cybernetics and sensing-action control system.1 Three Major Groups
5、 of AICh1 Representation, Search & Reasoning of KnowledgeCollege of Information Science and Technology, DHUTao GongISC4 Symbolicism thinks that the AI originated from the mathematical logic.The mathematical logic developed quickly since the end of the 19th century, and it was used to describe the in
6、telligent behaviors since 1930s.After the invention of the computer, the computer was used to implement the logic deduction system. The heuristic program LT logic theorist was one of the typical fruits, and this program proved 38 mathematic theorems. This fact shows that the computer can be used to
7、investigate the thinking process of human beings and simulate their intelligent activity. Another example is the mechanical proving of geometry theorems by Prof. Wenjun Wu, and he won the top science award of China.Heuristic algorithmsExpert systemsKnowledge engineering1.1 Symbolicism1 Three Major G
8、roups of AICollege of Information Science and Technology, DHUTao GongISC5 Connectionism thinks the AI originated from the bionics, especially such as the research on the brain.连接主义的代表性成果是连接主义的代表性成果是1943年由生理学家年由生理学家McCulloch和数理逻辑学家和数理逻辑学家Pitts创立的脑模型，创立的脑模型，即即MP模型，开创了用电子装置模仿人脑结构模型，开创了用电子装置模仿人脑结构和功能的新途
9、径。和功能的新途径。MP模型模型感知机感知机Hopfield神经网络神经网络多层多层网络中的反向传播网络中的反向传播(BP)算法算法现在，对人工神经网络现在，对人工神经网络(ANN)的研究热情仍然的研究热情仍然较高，但研究成果没有预想的那样好。较高，但研究成果没有预想的那样好。1.2 Connectionism1 Three Major Groups of AICollege of Information Science and Technology, DHUTao GongISC6 行为主义学派认为人工智能源于控制论。行为主义学派认为人工智能源于控制论。控制论思想早在控制论思想早在20世纪世
10、纪40年代年代50年代就成为时代思潮年代就成为时代思潮的重要部分，影响了早期的人工智能工作者。维纳和麦的重要部分，影响了早期的人工智能工作者。维纳和麦克洛等人提出的控制论和自组织系统以及钱学森等人提克洛等人提出的控制论和自组织系统以及钱学森等人提出的工程控制论和生物控制论，影响了许多领域。出的工程控制论和生物控制论，影响了许多领域。到到20世纪世纪60年代年代70年代，上述这些控制论系统的研究年代，上述这些控制论系统的研究取得一定进展，播下智能控制和智能机器人的种子，并取得一定进展，播下智能控制和智能机器人的种子，并在在20世纪世纪80年代诞生了智能控制和智能机器人系统。年代诞生了智能控制和智
11、能机器人系统。行为主义学派的代表作首推行为主义学派的代表作首推Brooks的六足行走机器人，的六足行走机器人，它被看做是新一代的它被看做是新一代的“控制论动物控制论动物”，是一个基于感知，是一个基于感知-动作模式的模拟昆虫行为的控制系统。动作模式的模拟昆虫行为的控制系统。三个人工智能学派将长期共存与合作，并走向融合和集成。三个人工智能学派将长期共存与合作，并走向融合和集成。1.3 行为主义行为主义1 人工智能的三大学派人工智能的三大学派College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC7 以符号和逻辑为基础的传统人工智能问
12、题求解是通过以符号和逻辑为基础的传统人工智能问题求解是通过知识表示和知识推理来实现的。每种以知识和符号操作为知识表示和知识推理来实现的。每种以知识和符号操作为基础的智能系统，其问题求解方法都需要某种对解答的搜基础的智能系统，其问题求解方法都需要某种对解答的搜索。不过，在搜索过程开始之前，必须先用某种方法或某索。不过，在搜索过程开始之前，必须先用某种方法或某几种方法的混合来表示问题。这些表示问题的方法，可能几种方法的混合来表示问题。这些表示问题的方法，可能涉及状态空间、问题归约或谓词公式，或者把问题表示为涉及状态空间、问题归约或谓词公式，或者把问题表示为一条要证明的定理，或者采用结构化方法等等。
13、一条要证明的定理，或者采用结构化方法等等。 对知识表示新方法和混合表示方法的研究仍是许多人对知识表示新方法和混合表示方法的研究仍是许多人工智能专家学者们感兴趣的研究方向。适当选择和正确使工智能专家学者们感兴趣的研究方向。适当选择和正确使用知识表示方法将极大地提高人工智能问题求解效率。用知识表示方法将极大地提高人工智能问题求解效率。 知识表示方法很多，有图示法、公式法、结构化方法、知识表示方法很多，有图示法、公式法、结构化方法、陈述式表示和过程式表示等。陈述式表示和过程式表示等。2 符号主义的知识表示符号主义的知识表示Ch1 Representation, Search & Reasoning
14、of KnowledgeCollege of Information Science and Technology, DHUTao GongISC8 状态空间法是一种基于解答空间的问题表示和求解状态空间法是一种基于解答空间的问题表示和求解方法，它是以状态和操作符为基础的。方法，它是以状态和操作符为基础的。 在利用状态空间图表示时，从某个初始状态开始，在利用状态空间图表示时，从某个初始状态开始，每次加一个操作符，递增地建立起操作符的试验序列，每次加一个操作符，递增地建立起操作符的试验序列，直到达到目标状态为止。直到达到目标状态为止。 由于状态空间法需要扩展过多的节点，容易出现由于状态空间法需要扩
15、展过多的节点，容易出现“组合爆炸组合爆炸”，因而只适用于表示比较简单的问题。，因而只适用于表示比较简单的问题。 状态为描述某类不同事物间的差别而引入的一组最状态为描述某类不同事物间的差别而引入的一组最少变量少变量q0,q1,qn的有序集合，其矢量形式如下：的有序集合，其矢量形式如下： Q=q0,q1,qnT 式中元素式中元素qi (i=0,1,n)为集合的分量，称为状态变量。为集合的分量，称为状态变量。2.1 状态空间法状态空间法2 符号主义的知识表示符号主义的知识表示College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC9
16、猴子与香蕉问题的演示猴子与香蕉问题的演示 右上侧文本框内显示当前状态（右上侧文本框内显示当前状态（W，x，Y，z）。）。 W： 猴子的水平位置；猴子的水平位置； x： 猴子在箱子顶上时取猴子在箱子顶上时取1，否则取，否则取0； Y： 箱子的水平位置；箱子的水平位置； z： 猴子摘到香蕉取猴子摘到香蕉取1，否则取，否则取0；2.1 状态空间法状态空间法2 符号主义的知识表示符号主义的知识表示College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC10 问题归约法从目标问题归约法从目标(要解决的问题要解决的问题)出发，逆向出发，逆向
17、推理，通过一系列变换把初始问题变换为子问题集推理，通过一系列变换把初始问题变换为子问题集合和子子问题集合，直至最后归约为一个平凡的本合和子子问题集合，直至最后归约为一个平凡的本原问题集合。这些本原问题的解可以直接得到，从原问题集合。这些本原问题的解可以直接得到，从而解决了初始问题，用与或图来有效地说明问题归而解决了初始问题，用与或图来有效地说明问题归约法的求解途径。约法的求解途径。 问题归约法能够比状态空间法更有效地表示问问题归约法能够比状态空间法更有效地表示问题，状态空间法是问题归约法地一种特例。在问题题，状态空间法是问题归约法地一种特例。在问题归约法的与或图中，包含有与节点和或节点，而在归
18、约法的与或图中，包含有与节点和或节点，而在状态空间法中只有或节点。状态空间法中只有或节点。2.2 问题归约法问题归约法2 符号主义的知识表示符号主义的知识表示College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC112.2 问题归约法问题归约法2 符号主义的知识表示符号主义的知识表示College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC12 谓词逻辑法采用谓词合适公式和一阶谓词演算谓词逻辑法采用谓词合适公式和一阶谓词演算把要解决的问题变为一个有待证明的问题，然
19、后采把要解决的问题变为一个有待证明的问题，然后采用消解定理和消解反演来证明一个新语句是从已知用消解定理和消解反演来证明一个新语句是从已知的正确语句导出的，从而证明这个新语句也是正确的正确语句导出的，从而证明这个新语句也是正确的。谓词逻辑是一种形式语言，能够把数学中的逻的。谓词逻辑是一种形式语言，能够把数学中的逻辑论证符号化。辑论证符号化。 谓词逻辑法常与其他表示方法混合使用，灵活谓词逻辑法常与其他表示方法混合使用，灵活方便，可以表示比较复杂的问题。方便，可以表示比较复杂的问题。2.3 谓词逻辑法谓词逻辑法2 符号主义的知识表示符号主义的知识表示College of Information Sc
20、ience and Technology, DHUTao GongISC13 语义网络是一种结构化表示方法，它由节点和语义网络是一种结构化表示方法，它由节点和弧线或链线组成。节点用于表示物体、概念和状态，弧线或链线组成。节点用于表示物体、概念和状态，弧线用于表示节点间的关系。弧线用于表示节点间的关系。 语义网络的解答是一个经过推理和匹配而得到语义网络的解答是一个经过推理和匹配而得到的具有明确结果的新的语义网络。的具有明确结果的新的语义网络。 语义网络可用于表示多元关系，扩展后可以表语义网络可用于表示多元关系，扩展后可以表示更复杂的问题。示更复杂的问题。2.4 语义网络法语义网络法2 符号主义的
21、知识表示符号主义的知识表示College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC14 框架是一种结构化表示方法，是一种表示概念或对象框架是一种结构化表示方法，是一种表示概念或对象的一成不变知识的数据结构。框架通常由指定事物各个方的一成不变知识的数据结构。框架通常由指定事物各个方面的槽组成，每个槽拥有若干个侧面，而每个侧面又可拥面的槽组成，每个槽拥有若干个侧面，而每个侧面又可拥有若干个值。有若干个值。 大多数实用系统必须同时使用许多框架，并可把它们大多数实用系统必须同时使用许多框架，并可把它们联成一个框架系统。框架表示已得到广泛
22、应用，然而并非联成一个框架系统。框架表示已得到广泛应用，然而并非所有问题都可以用框架表示。所有问题都可以用框架表示。 剧本是框架的一种特殊形式，它使用一组槽来描述事剧本是框架的一种特殊形式，它使用一组槽来描述事件的发生序列。剧本表示特别适用于描述顺序性动作或事件的发生序列。剧本表示特别适用于描述顺序性动作或事件，但使用不如框架灵活，因此应用范围也不如框架广泛。件，但使用不如框架灵活，因此应用范围也不如框架广泛。 框架是一种复杂结构的语义网络，因此语义网络推理框架是一种复杂结构的语义网络，因此语义网络推理中的匹配和特性继承在框架系统中也可以实行。此外，框中的匹配和特性继承在框架系统中也可以实行。
23、此外，框架可以在新的情况下推论出未被观察到的事实。架可以在新的情况下推论出未被观察到的事实。2.5 框架和剧本框架和剧本2 符号主义的知识表示符号主义的知识表示College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC15 知识的搜索与推理是人工智能研究的另一个核心问题。对知识的搜索与推理是人工智能研究的另一个核心问题。对这一问题的研究曾经十分活跃，而且至今仍不乏高层次这一问题的研究曾经十分活跃，而且至今仍不乏高层次的研究课题。的研究课题。(1)盲目搜索只是穷举，不运用特别信息。盲目搜索包括宽盲目搜索只是穷举，不运用特别信息。盲目
24、搜索包括宽度优先搜索、深度优先搜索和等代价搜索等。度优先搜索、深度优先搜索和等代价搜索等。(2)启发式搜索主要讨论有序搜索启发式搜索主要讨论有序搜索(或最好优先搜索或最好优先搜索)、最优搜、最优搜索索A*算法和算法和AO*算法。算法。(3)在求解问题时，可把问题表示为一个有待证明的问题或在求解问题时，可把问题表示为一个有待证明的问题或定理，然后用消解原理和消解反演过程来证明。定理，然后用消解原理和消解反演过程来证明。(4)高级求解系统是知识推理和搜索的先进方法，规则演绎高级求解系统是知识推理和搜索的先进方法，规则演绎系统和产生式系统就是两种比较有效的搜索方法。系统和产生式系统就是两种比较有效的
25、搜索方法。(5)系统组织技术将一个大系统或复杂系统中的知识划分为系统组织技术将一个大系统或复杂系统中的知识划分为一组相对独立的模块，然后考虑各子模块间在求解时的一组相对独立的模块，然后考虑各子模块间在求解时的合作问题。合作问题。3 知识的搜索与推理技术知识的搜索与推理技术Ch1 Representation, Search & Reasoning of KnowledgeCollege of Information Science and Technology, DHUTao GongISC16 A*算法一种有序搜索算法，其特点算法一种有序搜索算法，其特点在于对估价函数的定义上。对于一般的有在
26、于对估价函数的定义上。对于一般的有序搜索，总是选择估价函数序搜索，总是选择估价函数 f 值最小的节值最小的节点作为扩展节点。因此，估价函数点作为扩展节点。因此，估价函数 f 是根是根据需要找到一条最小代价路径的观点来估据需要找到一条最小代价路径的观点来估算节点的。可考虑每个节点算节点的。可考虑每个节点 n 的估价函数的估价函数值为两个分量：从起始节点到节点值为两个分量：从起始节点到节点 n 的代的代价以及从节点价以及从节点 n 到达目标节点的代价。到达目标节点的代价。3.1 A*算法算法3 知识的搜索与推理技术知识的搜索与推理技术College of Information Science a
27、nd Technology, DHUTao GongISC17 遗传算法是仿真生物遗传学和自然选择机理，通过遗传算法是仿真生物遗传学和自然选择机理，通过人工方式所构造的一类搜索算法，从某种程度上说遗传人工方式所构造的一类搜索算法，从某种程度上说遗传算法是对生物进化过程进行的数学方式仿真。算法是对生物进化过程进行的数学方式仿真。Holland在在他的著作他的著作Adaptation in Natural and Artificial Systems首次提出遗传算法，并主要由他和他的学生发展起来的。首次提出遗传算法，并主要由他和他的学生发展起来的。 遗传算法自从遗传算法自从1965年提出以来，在国
28、际上已经形成年提出以来，在国际上已经形成了一个比较活跃的研究领域，已召开了多次比较重要的了一个比较活跃的研究领域，已召开了多次比较重要的国际会议和创办了很多相关的国际刊物。国际会议和创办了很多相关的国际刊物。 遗传算法已用于求解带有应用前景的一些问题，例遗传算法已用于求解带有应用前景的一些问题，例如遗传程序设计、函数优化、排序问题、人工神经网络、如遗传程序设计、函数优化、排序问题、人工神经网络、分类系统、计算机图像处理和机器人运动规划等。分类系统、计算机图像处理和机器人运动规划等。3.2 遗传算法遗传算法3 知识的搜索与推理技术知识的搜索与推理技术College of Information
29、Science and Technology, DHUTao GongISC18 生物种群的生存过程普遍遵循达尔文进化准则，群体中的个生物种群的生存过程普遍遵循达尔文进化准则，群体中的个体根据对环境的适应能力而被大自然所选择或淘汰。进化过程的体根据对环境的适应能力而被大自然所选择或淘汰。进化过程的结果反映在个体的结构上，其染色体包含若干基因，相应的表现结果反映在个体的结构上，其染色体包含若干基因，相应的表现型和基因型的联系体现了个体的外部特性与内部机理间逻辑关系。型和基因型的联系体现了个体的外部特性与内部机理间逻辑关系。通过个体之间的交叉、变异来适应大自然环境。通过个体之间的交叉、变异来适应大
30、自然环境。 遗传算法类似于自然进化，通过作用于染色体上的基因寻找遗传算法类似于自然进化，通过作用于染色体上的基因寻找好的染色体来求解问题。与自然界相似，遗传算法对求解问题的好的染色体来求解问题。与自然界相似，遗传算法对求解问题的本身一无所知，它所需要的仅是对算法所产生的每个染色体进行本身一无所知，它所需要的仅是对算法所产生的每个染色体进行评价，并基于适应值来选择染色体，使适应性好的染色体有更多评价，并基于适应值来选择染色体，使适应性好的染色体有更多的繁殖机会。在遗传算法中，通过随机方式产生若干个所求解问的繁殖机会。在遗传算法中，通过随机方式产生若干个所求解问题的数字编码，即染色体，形成初始群体
31、；通过适应度函数给每题的数字编码，即染色体，形成初始群体；通过适应度函数给每个个体一个数值评价，淘汰低适应度的个体，选择高适应度的个个个体一个数值评价，淘汰低适应度的个体，选择高适应度的个体参加遗传操作，经过遗传操作后的个体集合形成下一代新的种体参加遗传操作，经过遗传操作后的个体集合形成下一代新的种群。对这个新种群进行下一轮进化。这就是遗传算法的基本原理。群。对这个新种群进行下一轮进化。这就是遗传算法的基本原理。3.2 遗传算法遗传算法3 知识的搜索与推理技术知识的搜索与推理技术College of Information Science and Technology, DHUTao Gong
32、ISC19 在谓词公式、某些推理规则以及置换合一等概念的基础在谓词公式、某些推理规则以及置换合一等概念的基础上，能够进一步研究消解原理上，能够进一步研究消解原理(resolution principle)。 消解是一种可用于一定的子句公式的重要推理规则。一消解是一种可用于一定的子句公式的重要推理规则。一个子句定义为由文字的析取组成的公式个子句定义为由文字的析取组成的公式(一个原子公式和原一个原子公式和原子公式的否定叫做文字子公式的否定叫做文字)。当消解可使用时，消解过程被应。当消解可使用时，消解过程被应用于母体子句对，以便产生一个导出子句。例如，如果存在用于母体子句对，以便产生一个导出子句。例
33、如，如果存在某个公理某个公理E1E2和另一公理和另一公理E2E3，那么，那么E1E3在逻辑在逻辑上成立，这就是消解，而上成立，这就是消解，而E1E3称为称为E1E2和和E2E3的的消解式消解式(resolvent)。 任一谓词演算公式可以按照以下九步化成一个子句集任一谓词演算公式可以按照以下九步化成一个子句集：(1) 消去蕴涵符号；消去蕴涵符号；(2) 减少否定符号的辖域；减少否定符号的辖域；(3) 对变量标对变量标准化；准化；(4) 消去存在量词；消去存在量词；(5) 化为前束形；化为前束形；(6) 把母式化成把母式化成合取范式；合取范式；(7) 消去全称量词；消去全称量词；(8) 消去连词
34、符号消去连词符号；(9) 更更换变量名称。换变量名称。3.3 消解原理消解原理3 知识的搜索与推理技术知识的搜索与推理技术College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC20 在所有基于规则的系统中，每个在所有基于规则的系统中，每个if可能与某断言可能与某断言(assertion)集中的一个或多个断言匹配。有时把该断言集中的一个或多个断言匹配。有时把该断言集称为工作内存。在许多基于规则的系统中，集称为工作内存。在许多基于规则的系统中，then部分部分用于规定放入工作内存的新断言。这种基于规则的系统用于规定放入工作内存的新
35、断言。这种基于规则的系统称为规则演绎系统称为规则演绎系统(rule based deduction system)。在这。在这种系统中，通常称每个种系统中，通常称每个if部分为前项部分为前项(antecedent)，称每，称每个个then部分为后项部分为后项(consequent)。 有时，有时，then部分用于规定动作，这时，称这种基于部分用于规定动作，这时，称这种基于规则的系统为反应式系统规则的系统为反应式系统(reaction system)或产生式系统或产生式系统(production system)。 在基于规则的系统中，无论是规则演绎系统还是规在基于规则的系统中，无论是规则演绎系统
36、还是规则产生式系统，均有两种推理方式，即正向推理则产生式系统，均有两种推理方式，即正向推理(forward chaining)和逆向推理和逆向推理(backward chaining)。3.4 规则演绎系统规则演绎系统3 知识的搜索与推理技术知识的搜索与推理技术College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC21 产生式系统产生式系统(production system)首先是由首先是由Post于于1943年年提出的产生式规则提出的产生式规则(production rule)而得名的，他们用这种而得名的，他们用这种规则对
37、符号串进行置换运算。后来，美国的纽厄尔和西蒙利规则对符号串进行置换运算。后来，美国的纽厄尔和西蒙利用这个原理建立一个人类的认知模型用这个原理建立一个人类的认知模型(1965年年)。同时，斯坦。同时，斯坦福大学利用产生式系统结构设计第一个专家系统福大学利用产生式系统结构设计第一个专家系统DENDRAL。 产生式系统用来描述若干个不同的以一个基本概念为基产生式系统用来描述若干个不同的以一个基本概念为基础的系统，这个基本概念就是产生式规则或产生式条件和操础的系统，这个基本概念就是产生式规则或产生式条件和操作对的概念。在产生式系统中，论域的知识分为两部分：用作对的概念。在产生式系统中，论域的知识分为两
38、部分：用事实表示静态知识，如事物、事件和它们之间的关系；用产事实表示静态知识，如事物、事件和它们之间的关系；用产生式规则表示推理过程和行为。生式规则表示推理过程和行为。 产生式系统表达自然直观，便于推理，可进行模块化处产生式系统表达自然直观，便于推理，可进行模块化处理，格式清晰，设计和检测方便，表示灵活，因而曾得到广理，格式清晰，设计和检测方便，表示灵活，因而曾得到广泛应用。不过，产生式系统因求解效率低和无法表示结构性泛应用。不过，产生式系统因求解效率低和无法表示结构性知识，不适用于求解复杂系统。知识，不适用于求解复杂系统。3.5 产生式系统产生式系统3 知识的搜索与推理技术知识的搜索与推理技
39、术College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC22 专家系统（专家系统（expert system）已越来越普遍地获得应用，）已越来越普遍地获得应用，其领域要求高度可靠，并具有快速决策和不同功能。其领域要求高度可靠，并具有快速决策和不同功能。 这些功能包括解释、预测、分析、诊断、调试、设计、这些功能包括解释、预测、分析、诊断、调试、设计、规划、诊断、控制、监视、教学、检测、咨询、管理、规划、诊断、控制、监视、教学、检测、咨询、管理、评估和决策支持等。评估和决策支持等。 专家控制系统是一个应用专家系统技术的控制系统，专
40、家控制系统是一个应用专家系统技术的控制系统，也是一个典型的和广泛应用的基于知识的控制系统。也是一个典型的和广泛应用的基于知识的控制系统。 Hayes-Roth等在等在1983年提出专家控制系统，关于专家年提出专家控制系统，关于专家控制系统应用的第一次报导是在控制系统应用的第一次报导是在1984年年用于炼油的用于炼油的分布式实时过程控制系统。分布式实时过程控制系统。 奥斯特洛母等在奥斯特洛母等在1986年发表他们的题为年发表他们的题为“专家控制专家控制”（Expert Control）的论文。）的论文。 4 专家系统专家系统Ch1 Representation, Search & Reasoni
41、ng of KnowledgeCollege of Information Science and Technology, DHUTao GongISC23 专家：指的是那些对解决专门问题非常熟悉的人们，专家：指的是那些对解决专门问题非常熟悉的人们，他们的这种专门技术通常源于丰富的经验以及他们处理问他们的这种专门技术通常源于丰富的经验以及他们处理问题的详细专业知识。题的详细专业知识。 专家系统尚无统一的定义。专家系统的先行者专家系统尚无统一的定义。专家系统的先行者Feigenbaum曾把专家系统定义为一个智能计算机程序，曾把专家系统定义为一个智能计算机程序，它应用知识和推理过程来求解那些需要大
42、量的人类专家经它应用知识和推理过程来求解那些需要大量的人类专家经验才能解决的难题。验才能解决的难题。 定义定义1 专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。专家系统是一种模拟人类专家解决领域问的高水平难题。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。题的计算机程序系统。 专家系统的基本功能：取决于它所含有的知识，因此，专家系统的基
43、本功能：取决于它所含有的知识，因此，有时也把专家系统称为基于知识的系统（有时也把专家系统称为基于知识的系统（knowledge-based system）。）。 4.1 专家系统的概念专家系统的概念4 专家系统专家系统College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC24 1. 启发性：专家系统要解决的问题，其结构往往是不启发性：专家系统要解决的问题，其结构往往是不合理的，其问题求解（合理的，其问题求解（problem-solving）知识不仅包括理）知识不仅包括理论知识和常识，而且包括专家本人的启发知识。在问题求论知识和
44、常识，而且包括专家本人的启发知识。在问题求解过程中，专家们应用和组合启发知识（甚至是多种经解过程中，专家们应用和组合启发知识（甚至是多种经验），模仿专家的思维和认知过程。专家系统具有启发性，验），模仿专家的思维和认知过程。专家系统具有启发性，并能够高效和准确地作出推理、判断、决策和结论。并能够高效和准确地作出推理、判断、决策和结论。 2. 透明性透明性: 专家系统能够解释本身的推理过程和回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，以便让用户了解推理过程，增大对专答用户提出的问题，以便让用户了解推理过程，增大对专家系统的信任感。家系统的信任感。例如，医疗诊断专家系统诊断出某病人例如，医
45、疗诊断专家系统诊断出某病人患有肺炎，而且建议使用某种抗生素治疗，那么，专家系患有肺炎，而且建议使用某种抗生素治疗，那么，专家系统能够向病人解释为什么患有此病以及为什么必须用这种统能够向病人解释为什么患有此病以及为什么必须用这种抗生素治疗，就象一位医疗专家详细向病人解释病情和治抗生素治疗，就象一位医疗专家详细向病人解释病情和治疗方案一样。疗方案一样。解释机制为专家系统提供一个透明的界面：解释机制为专家系统提供一个透明的界面：当专家系统解释用户的提问时，它应用知识库内的知识和当专家系统解释用户的提问时，它应用知识库内的知识和问题求解过程中产生的中间结果。问题求解过程中产生的中间结果。4.2 专家系
46、统的特点专家系统的特点4 专家系统专家系统College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC25 3. 灵活性：专家系统的灵活性是指它的扩展和丰富知灵活性：专家系统的灵活性是指它的扩展和丰富知识库的能力，以及改善非编程状态下的系统性能，即自学识库的能力，以及改善非编程状态下的系统性能，即自学习能力。专家系统知识库的扩展和修正是比较灵活方便习能力。专家系统知识库的扩展和修正是比较灵活方便的的 ，专家系统能够不断增加新的知识，并修改与更新原，专家系统能够不断增加新的知识，并修改与更新原有知识。有知识。 4. 符号操作符号操作:
47、与与常规程序进行数据处理和数字计算不常规程序进行数据处理和数字计算不同，专家系统强调符号处理和符号操作（运算），使用符同，专家系统强调符号处理和符号操作（运算），使用符号表示知识，用符号集合表示问题的概念。号表示知识，用符号集合表示问题的概念。 5. 不确定性推理：领域专家求解问题的方法大多数是不确定性推理：领域专家求解问题的方法大多数是经验性的；经验知识一般用于表示不精确性并存在一定概经验性的；经验知识一般用于表示不精确性并存在一定概率的问题。专家系统能够综合应用模糊和不确定的信息与率的问题。专家系统能够综合应用模糊和不确定的信息与知识，进行推理。知识，进行推理。4.2 专家系统的特点专家系
48、统的特点4 专家系统专家系统College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC26 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。例如，用性和有效性密切相关的。例如，MYCIN系统的任务是系统的任务是疾病诊断与解释，其问题的特点是需要较小的可能空间、疾病诊断与解释，其问题的特点是需要较小的可能空间、可靠的数据及比较可靠的知识，这就决定了它可采用穷尽可靠的数
49、据及比较可靠的知识，这就决定了它可采用穷尽检索解空间和单链推理等较简单的控制方法和系统结构。检索解空间和单链推理等较简单的控制方法和系统结构。 4.3 专家系统的结构与类型专家系统的结构与类型4 专家系统专家系统知识库知识库推理机推理机答案答案输入或提问输入或提问专家知识专家知识图图1 专家系统简化结构图专家系统简化结构图College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC27图图2 理想专家系统结构图理想专家系统结构图 图图2则为理想专则为理想专家系统的结构图。由家系统的结构图。由于每个专家系统所需于每个专家系统所需完成的
50、任务和特点不完成的任务和特点不同，其系统结构也不同，其系统结构也不尽相同，一般只具有尽相同，一般只具有图中部分模块。图中部分模块。 4.3 专家系统的结构与类型专家系统的结构与类型College of Information Science and Technology, DHUTao GongISC28 黑板是用来记录系统推理过程中要用到的控制信息、黑板是用来记录系统推理过程中要用到的控制信息、中间假设和中间结果的数据库，它包括计划、议程和中间中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。 知识库包括两部分内容知识库包括两部分内容: (1) 已知的同当前问题有关的已知
