1、2022-8-131第六章第六章 专家系统专家系统n6.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念n6.2 专家系统的结构专家系统的结构n6.3 知识表示知识表示n6.4 机器推理机器推理n6.5 专家系统的开发专家系统的开发n6.6 专家系统应用中的问题专家系统应用中的问题2022-8-1326.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念n6.1.1 专家系统的产生和发展专家系统的产生和发展n6.1.2 专家系统的作用和意义专家系统的作用和意义n6.1.3 专家系统的特点专家系统的特点2022-8-1336.2 专家系统的结构专家系统的结构n6.2.1 专家系统的一般结构专家系统的一般结构n6.
2、2.2 黑板结构黑板结构2022-8-1346.3 知识表示知识表示n6.3.1 知识表示的基本问题知识表示的基本问题n6.3.2 一阶谓词逻辑一阶谓词逻辑n6.3.3 产生式系统产生式系统n6.3.4 框架理论框架理论n6.3.5 语义网络语义网络n6.3.6 元知识元知识2022-8-1356.4 机器推理机器推理n6.4.1 人类推理的基本类型人类推理的基本类型n6.4.2 谓词逻辑的演绎推理谓词逻辑的演绎推理n6.4.3 产生式规则推理产生式规则推理n6.4.4 语义网络推理语义网络推理n6.4.5 框架推理框架推理n6.4.6 控制策略控制策略2022-8-1366.5 专家系统的开
3、发专家系统的开发n6.5.1 专家系统的开发过程专家系统的开发过程n6.5.2 专家系统开发工具专家系统开发工具2022-8-1376.1 专家系统的基本概念专家系统的基本概念n专家系统专家系统（Expert System，简称，简称ES）是一种计是一种计算机信息系统。其主要任务是研究怎样使计算机模算机信息系统。其主要任务是研究怎样使计算机模仿人脑所从事的推理、学习，思考、规划等思维活仿人脑所从事的推理、学习，思考、规划等思维活动，解决需要人类专家才能处理的复杂问题，如医动，解决需要人类专家才能处理的复杂问题，如医疗诊断、气象预报、运输调度和管理决策等。所以，疗诊断、气象预报、运输调度和管理决
4、策等。所以，专家系统是一个具有大量专门知识与经验的系统，专家系统是一个具有大量专门知识与经验的系统，它应用人工智能技术，根据一个或多个人类专家提它应用人工智能技术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识、经验进行推理和判断，模拟人供的特殊领域知识、经验进行推理和判断，模拟人类专家做决定的过程，解决需要专家决定的复杂问类专家做决定的过程，解决需要专家决定的复杂问题。从实用角度看，专家系统是一门工程学科：它题。从实用角度看，专家系统是一门工程学科：它以知识为研究对象，研究知识的获取、知识的表示以知识为研究对象，研究知识的获取、知识的表示方法和知识的使用。方法和知识的使用。2022-8-138n1
5、9701970年，匹兹堡大学开发了一个辅助医生诊断年，匹兹堡大学开发了一个辅助医生诊断内科疾病的专家系统内科疾病的专家系统CADAUCEUSCADAUCEUS。经过不断的完经过不断的完善，七年之后，这一系统共有善，七年之后，这一系统共有100100，000000条规则，条规则，约占该领域全部知识的约占该领域全部知识的85%85%。在诊断过程中，该。在诊断过程中，该系统首先用自底向上的策略分析病例，然后转系统首先用自底向上的策略分析病例，然后转向自顶向下的策略进行诊断。向自顶向下的策略进行诊断。n19711971年，麻省理工学院计算机实验室开发成功年，麻省理工学院计算机实验室开发成功了专家系统了
6、专家系统MACSYMAMACSYMA，这是一个数学领域的专家这是一个数学领域的专家系统。在早期的专家系统中，它的规模最大，系统。在早期的专家系统中，它的规模最大，有有3030万行万行LISPLISP程序，开发该系统历时约程序，开发该系统历时约100100个人个人年。年。6.1.1 专家系统的产生和发展专家系统的产生和发展2022-8-139n19721972年，在专家系统发展历史上具有十分重要地位的系统年，在专家系统发展历史上具有十分重要地位的系统MYCINMYCIN在在斯坦福大学投入了开发。斯坦福大学投入了开发。MYCINMYCIN对知识表示、搜索策略、人机界面、对知识表示、搜索策略、人机界
7、面、知识获取和开发工具等一系列专家系统中的重大课题都有杰出的知识获取和开发工具等一系列专家系统中的重大课题都有杰出的贡献，为以后专家系统的开发提供了一个通用的框架。贡献，为以后专家系统的开发提供了一个通用的框架。MYCINMYCIN系统系统用于诊断和治疗细菌感染血液病，它的知识库是以产生式规则为用于诊断和治疗细菌感染血液病，它的知识库是以产生式规则为基础，约有基础，约有400400条规则。条规则。MYCINMYCIN系统首次使用了获取知识的工具系统首次使用了获取知识的工具TIERESIALTIERESIAL，它通过元知识来增加和更新知识，它通过元知识来增加和更新知识，TIERESIALTIER
8、ESIAL同专家同专家系统的界面是一个自然语言的子集。这些系统都达到了领域专家系统的界面是一个自然语言的子集。这些系统都达到了领域专家的水平。的水平。6.1.1 专家系统的产生和发展专家系统的产生和发展2022-8-1310n19781978年前后，从年前后，从MYCINMYCIN系统中逐渐发展出了系统中逐渐发展出了 EMYCIN(Empty MYCIN)EMYCIN(Empty MYCIN)系统，它包括全部了系统，它包括全部了MYCINMYCIN中的逻辑结构，但没有专门的知识。因中的逻辑结构，但没有专门的知识。因而，它是一个通用的专家系统。从此，专家系统外壳，这一专家而，它是一个通用的专家系
9、统。从此，专家系统外壳，这一专家系统的开发工具产生了。专家系统外壳包含有全部的逻辑结构和系统的开发工具产生了。专家系统外壳包含有全部的逻辑结构和推理策略，但没有具体的领域知识。推理策略，但没有具体的领域知识。n用用EMYCINEMYCIN系统作为开发工具而研制的第一个专家系统是系统作为开发工具而研制的第一个专家系统是PUFFPUFF。该该系统是一个肺功能疾病诊断系统。它以系统是一个肺功能疾病诊断系统。它以EMYCINEMYCIN作外壳，输入了有作外壳，输入了有关肺功能疾病的知识。测试仪器测出一个人的肺活量以及肺向血关肺功能疾病的知识。测试仪器测出一个人的肺活量以及肺向血液释放氧气和从血液回收二
10、氧化碳的功能，这些数据可以帮助肺液释放氧气和从血液回收二氧化碳的功能，这些数据可以帮助肺功能疾病诊断。系统直接从测试仪器获取数据，并向大夫提供经功能疾病诊断。系统直接从测试仪器获取数据，并向大夫提供经过分析后的意见。过分析后的意见。6.1.1 专家系统的产生和发展专家系统的产生和发展2022-8-1311n2020世纪世纪7070年代后期，斯坦福研究所研制了一年代后期，斯坦福研究所研制了一个地质勘探专家系统。这是一个基于规则的个地质勘探专家系统。这是一个基于规则的系统，但其数据结构采用了语义网络方法。系统，但其数据结构采用了语义网络方法。同前面介绍的专家系统一样，这个系统是地同前面介绍的专家系
11、统一样，这个系统是地质专家和人工智能专家合作的产物。它通过质专家和人工智能专家合作的产物。它通过分析地质勘探数据来确定矿藏分布，选择钻分析地质勘探数据来确定矿藏分布，选择钻井井位。由于井井位。由于7070年代专家系统研究和应用的年代专家系统研究和应用的成功，成功，2020世纪世纪8080年代以后，专家系统在众多年代以后，专家系统在众多的领域得到更为广泛的应用。的领域得到更为广泛的应用。6.1.1 专家系统的产生和发展专家系统的产生和发展2022-8-13126.1.2 专家系统的作用和意义专家系统的作用和意义n目前，专家系统的应用领域越来越广，在解决目前，专家系统的应用领域越来越广，在解决实际
12、问题中所起的作用也越来越大。专家系统实际问题中所起的作用也越来越大。专家系统的迅速发展是由于它具有以下作用和意义。的迅速发展是由于它具有以下作用和意义。u专家系统能够高效、准确、全面、迅速且不疲倦地专家系统能够高效、准确、全面、迅速且不疲倦地工作；工作；u专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响；专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响；u专家系统使专家的专长不受时间和空间的限制；专家系统使专家的专长不受时间和空间的限制；u专家系统促进了领域的发展；专家系统促进了领域的发展；u专家系统汇集许多领域专家的知识与经验。专家系统汇集许多领域专家的知识与经验。2022-8-13136.1.3 专家系统
13、的特点专家系统的特点n启发性启发性：家系统主要用来解决需要人类专家求解的问题，如医生：家系统主要用来解决需要人类专家求解的问题，如医生对患者进行诊断。这些问题难于形式化和转换成计算问题。同时，对患者进行诊断。这些问题难于形式化和转换成计算问题。同时，领域知识通常具有多义性或不确定性，专家的作用正是利用其经领域知识通常具有多义性或不确定性，专家的作用正是利用其经验来使用知识，排除结论的多义性及不确定性。所以，专家系统验来使用知识，排除结论的多义性及不确定性。所以，专家系统能运用人类专家的知识经验进行评砗团卸稀能运用人类专家的知识经验进行评砗团卸稀n透明性透明性：由于专家系统所求解的问题具有多义性
14、及不确定性，所：由于专家系统所求解的问题具有多义性及不确定性，所以需要专家系统能解释本身的推理过程，回答用户对结论所提出以需要专家系统能解释本身的推理过程，回答用户对结论所提出的问题。的问题。n灵活性灵活性：人类专家的知识的经验不是静止的，而是不断丰富，不：人类专家的知识的经验不是静止的，而是不断丰富，不断增长的。专家系统也是一样，它通过其知识获取机制，能不断断增长的。专家系统也是一样，它通过其知识获取机制，能不断地丰富、校正知识，从而更好地工作。地丰富、校正知识，从而更好地工作。2022-8-1314专家系统的类型专家系统的类型n解释专家系统解释专家系统n预测专家系统预测专家系统n诊断专家系
15、统诊断专家系统n设计专家系统设计专家系统n规划专家系统规划专家系统n监视专家系统监视专家系统n控制专家系统控制专家系统n调试专家系统调试专家系统n教学专家系统教学专家系统n修理专家系统修理专家系统2022-8-1315解释专家系统n任务 通过对过去和现在已知状况的分析，推断未通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况来可能发生的情况n特点 数据量很大，常不准确、有错误、不完全能数据量很大，常不准确、有错误、不完全能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设，推理过程可能很复杂和很长些假设，推理过程可能很复杂和很长n例子 语音理解、图象
16、分析、系统监视、化学结构语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。分析和信号解释等。2022-8-1316预测专家系统预测专家系统 n任务 通过对已知信息和数据的分析与解释，确定通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。它们的涵义。n特点 系统处理的数据随时间变化，且可能是不准系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全确和不完全，系统需要有适应时间变化的动态模系统需要有适应时间变化的动态模型型n例子 有气象预报、军事预测、人口预测、交通预有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预测和谷物产量预测等测、经济预测和谷物产量预测等2022-8-1317诊断专家系统诊
17、断专家系统 n任务 根据观察到的情况根据观察到的情况(数据数据)来推断出某个对象来推断出某个对象机能失常机能失常(即故障即故障)的原因的原因n特点 能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系性以及它们之间的联系，能够区分一种现象及其能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象所掩盖的另一种现象，能够向用户提出测量的数能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断n例子 医疗诊断、电子机械和软件故障诊断以及材医疗诊断、电子机械和软件故障诊断以及材料失效诊断等。料失效诊断等。2022-8-131
18、8设计专家系统设计专家系统 n任务 寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。步骤。n特点 从多种约束中得到符合要求的设计从多种约束中得到符合要求的设计；系统需系统需要检索较大的可能解空间；能试验性地构造出可要检索较大的可能解空间；能试验性地构造出可能设计；易于修改能设计；易于修改；能够使用已有设计来解释当能够使用已有设计来解释当前新的设计。前新的设计。n例子 VAX计算机结构设计专家系统等。计算机结构设计专家系统等。2022-8-1319规划专家系统规划专家系统 n任务 寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。
19、步骤。n特点 所要规划的目标可能是动态的或静态的，需所要规划的目标可能是动态的或静态的，需要对未来动作做出预测，所涉及的问题可能很复要对未来动作做出预测，所涉及的问题可能很复杂杂。n例子 军事指挥调度系统、军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。2022-8-1320监视专家系统监视专家系统n任务 对系统、对象或过程的行为进行不断观察，对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。以发现异常情况，发出警
20、报。n特点 系统具有快速反应能力，发出的警报要有很系统具有快速反应能力，发出的警报要有很高的准确性，能够动态地处理其输入信息。高的准确性，能够动态地处理其输入信息。n例子 粘虫测报专家系统。粘虫测报专家系统。2022-8-1321控制专家系统控制专家系统 n任务 自适应地管理一个受控对象或客体的全面行自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。为，使之满足预期要求。n特点 控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。和执行等多种功能。n例子 空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理
21、、生产过程控制和质量控制等。作战管理、生产过程控制和质量控制等。2022-8-1322调试专家系统调试专家系统 n任务 对失灵的对象给出处理意见和方法。对失灵的对象给出处理意见和方法。n特点 同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。统的功能。n例子 在这方面的实例还比较少见。在这方面的实例还比较少见。2022-8-1323教学专家系统教学专家系统 n任务:教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。
22、n特点(1)同时具有诊断和调试等功能。同时具有诊断和调试等功能。(2)具有良好的人机界面。具有良好的人机界面。n例子 MACSYMA符号积分与定理证明系统，计算机程序设符号积分与定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等。练专家系统等。2022-8-1324修理专家系统修理专家系统 n任务 对发生故障的对象对发生故障的对象(系统或设备系统或设备)进行处理，进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。试、计划和执行等功能。n例子
23、美国贝尔实验室的美国贝尔实验室的ACI电话和有线电视维护电话和有线电视维护修理系统。修理系统。n此外，还有决策专家系统和咨询专家系统等。此外，还有决策专家系统和咨询专家系统等。2022-8-1325Questions1能根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导的专能根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导的专家系统是：家系统是：A解释专家系统解释专家系统B调试专家系统调试专家系统C监视专家系统监视专家系统D教学专家系统教学专家系统2用于寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤的专家系统是：A设计专家系统B诊断专家系统C预
24、测专家系统D规划专家系统3能对发生故障的对象（系统或设备）进行处理，使其恢复正常工作的专家系统是：A修理专家系统B诊断专家系统C调试专家系统D规划专家系统4能通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况的专家系统是：A修理专家系统B预测专家系统C调试专家系统D规划专家系统2022-8-13266.2.1 专家系统的一般结构专家系统的一般结构n知识库知识库n知识库管理系统知识库管理系统n推理机推理机n数据库数据库n知识获取与学习系统知识获取与学习系统n解释系统解释系统n用户接口用户接口2022-8-13276.2.2 黑板结构黑板结构n19761976年，年，F.Hayes RothF
25、.Hayes Roth，V.R.LesserV.R.Lesser，L.D.ErmanL.D.Erman等人等人研制出了研制出了HEARSAYHEARSAY系统。系统。HEARSAYHEARSAY是一个用于语音识是一个用于语音识别的专家系统。该系统首次采用了黑板结构。此后，黑别的专家系统。该系统首次采用了黑板结构。此后，黑板结构得到了广泛的应用，并发展成为一种流行的系统板结构得到了广泛的应用，并发展成为一种流行的系统构造技术。构造技术。n黑板结构是一种模拟人类专家解决问题过程的方法。人黑板结构是一种模拟人类专家解决问题过程的方法。人类在解决复杂问题时，往往需要多名来自不同领域的专类在解决复杂问题
26、时，往往需要多名来自不同领域的专家，这些专家聚集在一起，对问题的某一方面发表各自家，这些专家聚集在一起，对问题的某一方面发表各自的看法，每个专家可以把自己的解决方案写在黑板上。的看法，每个专家可以把自己的解决方案写在黑板上。这样，其他专家都可看到，并能参与讨论，使用有关的这样，其他专家都可看到，并能参与讨论，使用有关的结果。最后，通过综合每个专家对局部问题的求解，最结果。最后，通过综合每个专家对局部问题的求解，最终解决整个问题。终解决整个问题。2022-8-1328n知识源知识源n黑板黑板n控制控制黑板结构系统黑板结构系统2022-8-1329层次 K层次 2KSnKS2KS1 监督程序调度程
27、序控制数据库调度队列层次2层次1黑黑板板结结构构系系统统2022-8-13306.3 知识表示知识表示n知识表示所要解决的问题是将已获得的有关领知识表示所要解决的问题是将已获得的有关领域的知识以计算机内部数据的形式加以合理地域的知识以计算机内部数据的形式加以合理地描述、存储，以使系统能有效地利用这些知识。描述、存储，以使系统能有效地利用这些知识。知识表示是研究用机器表示知识的可行性、有知识表示是研究用机器表示知识的可行性、有效性的一般方法，是一种数据结构与控制结构效性的一般方法，是一种数据结构与控制结构的统一体，在知识表示中，既要考虑知识的存的统一体，在知识表示中，既要考虑知识的存储，又要考虑知识的使用。知识表示可看成是储，又要考虑知识的使用。知识表示可看成是一组描述事物的约定，以把人类知识转换成计一组描述事物的约定，以把人类知识转换成计算机能处理的数据结构。算机能处理的数据结构。2022-8-1331知识表示知识表示n知识表示的基本问题知识表示的基本问题n一阶谓词逻辑一阶谓词逻辑n产生式系统产生式系统n框架理论框架理论n语义网络语义网络n元知识元知识2022-8-13326.4 机器推理机器推理n人类推理的基本类型人类推理的基本类型n谓词逻辑的演绎推理谓词逻辑的演绎推理n产生式规则推理产生式规则推理n语义网络推理语义网络推理n框架推理框架推理n控制策略控制策略
