1、6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统6.3 6.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统6.4 6.4 基于模型的专家系统基于模型的专家系统6.5 6.5 基于基于WebWeb的专家系统的专家系统6.6 6.6 新型专家系统新型专家系统6.7 6.7 专家系统设计专家系统设计6.8 6.8 专家系统开发工具专家系统开发工具6.9 6.9 小结小结第1页，共54页。CISIC2Experts are people who are very familiar with solving specific types of problems.Expert sys
2、tem is an intelligent computer program that can perform special and difficult task in some field at the level of human experts.Expert system has been one of most active and important application fields of AI.Expert systems are mostly domain specific.Expert system has a very wide field of application
3、s.第2页，共54页。CISIC3 费根鲍姆把专家系统定义为一个应用知识和推理过程来求解需要大量的人类专家解决难题经验的智能计算机程序。专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。专家系统是模拟人类专家解决领域问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，因此也把专家系统称为基于知识的系统（knowledge-based system）。第3页，共54页。CISIC4 Heuristic 启发性专家系统要解决的问题
4、，其结构往往是不合理的，其问题求解（problem-solving）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。Use heuristic knowledge of expert to make inference,judgment,decision and conclusion.第4页，共54页。CISIC5 Transparency 透明性Expert system can interpret its own inference process and answer users queries,so that user can understand the inference
5、process，enhance the believe to ES。问题求解过程中知识应用的合理性可由检验专家系统的解释推理路径来验证。第5页，共54页。CISIC6 Flexibility 灵活性Ability to extend and enrich the KB,and self-learning ability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，即自学习能力。Reasoning Machine can select various relative knowledge from KB and construct problem solving
6、 sequences according to the particulars of the specific solved problems.第6页，共54页。CISIC7 Provides consistent answers for repetitive decisions,processes and tasks Holds and maintains significant levels of information Encourages organizations to clarify the logic of their decision-making Never forgets
7、to ask a question,as a human might 第7页，共54页。CISIC8 能高效、准确、周到、迅速和不知疲倦地工作。专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不会遗漏和忘记。使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。专家系统能促进各领域的发展，使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力。第8页，共54页。CISIC9 专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力。军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一。专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。研究专
8、家系统能够促进整个科学技术的发展。专家系统对人工智能各个领域的发展起了很大的促进作用，并将对科技、经济、国防、教育、社会和人民生活产生极其深远的影响。第9页，共54页。CISIC10 定义：指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式 专家系统结构Fig 6.1 Simplified block diagram of expert systemExpertiseKnowledge BaseInputor QueryReasoning MachineAnswer第10页，共54页。CISIC11图图6 6.2 .2 理想专家系统的结构图理想专家系统的结构图接口用户事实规则计划议程中间解黑板知识库解释
9、器执行器调度器协调器第11页，共54页。CISIC12 Knowledge Base Global Database Reasoning Machine Explanator Interface第12页，共54页。CISIC131.Design of Initial Knowledge Base Problem identification Knowledge conceptualization Concept formulization Rule formulation Rule validation第13页，共54页。CISIC142.Development&test for protot
10、ype system3.Improvement&induction for the knowledge第14页，共54页。CISIC15Date AcquisitionIndentifi-cationConceptu-alizationFormali-zationRuleFormalizationValidationKnowledgeConceptsStructureRulesConclusionRepresentation RefinementsReformulationsFig.6.3 Steps for designing knowledge base第15页，共54页。CISIC16知
11、识化问题图6.3建立专家系统的步骤合法化概念化形式化规则化知识概念结构形式规则再设计改进重新阐述第16页，共54页。CISIC171.设计初始知识库问题知识化知识概念化概念形式化形式规则化规则合法化2.原型机（prototype）的开发与实验3.知识库的改进与归纳第17页，共54页。CISIC18知识库（规则）工作存储器（事实）推理机1.1.基于规则的专家系统的工作模型基于规则的专家系统的工作模型 图6.4 基于规则的工作模型第18页，共54页。CISIC19 知识库知识库 以一套规则建立人的长期存储器模型 工作存储器工作存储器 建立人的短期存储器模型，存放问题事实和由规则激发而推断出的新事实
12、。推理机推理机 借助于把存放在工作存储器内的问题事实和存放在知识库内的规则结合起来，建立人的推理模型，以推断出新的信息。第19页，共54页。CISIC20解释器用户界面开发界面外部程序工作存储器推理机知识库用户知识工程师图6.5 基于规则专家系统的结构第20页，共54页。CISIC21 自然表达 控制与知识分离 易于扩展 智能成比例增长 相关知识的使用 从严格语法获取解释 一致性检查 启发性知识的使用 不确定知识的使用 可以合用变量第21页，共54页。CISIC22 必需精确匹配 有不清楚的规则关系 可能慢 对一些问题不适用第22页，共54页。CISIC23 定义6.1 基于框架的专家系统是一
13、个计算机程序，该程序使用一组包含在知识库内的框架对工作存储器内的具体问题信息进行处理，通过推理机推断出新的信息。第23页，共54页。CISIC24特征名称值侧面规则目标议程表人类男人女人约翰李勇丽达王红类（class）槽(Slots)子类（subclass)例子(instances)规则(rules)目标议程表 (goal agenda)图6.6 人类的框架分层结构第24页，共54页。CISIC25 基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规则的专家系统相似,主要差别在于如何看待和使用知识 在设计基于框架的专家系统时，把整个问题和每件事想像为编织起来的事物 在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的
14、方法 对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程第25页，共54页。CISIC26定义问题，包括对问题和结论考察与综述 分析领域，包括定义事物、事物特征、事件和框架结构 定义类及其特征 定义例及其框架结构 确定模式匹配规则 规定事物通信方法 设计系统界面 对系统进行评价 对系统进行扩展，深化和扩宽知识第26页，共54页。CISIC271.1.基于框架专家系统的继承基于框架专家系统的继承 定义6.2(继承)后辈框架呈现其父辈框架的特征的过程。异常处理 多重继承第27页，共54页。CISIC282.2.基于框架专家系统的槽基于框架专家系统的槽 定义6.3（槽）框架属性有关的扩展知识。按照下面
15、的方式，槽扩展有关给定系统属性的信息：类型：定义和属性相关的类型；默认：定义默认值；文档：提供属性文档；约束：定义允许值；第28页，共54页。CISIC29 按照下面的方式，槽扩展有关给定系统属性的信息：（续）最小界限：建立属性的下限；最大界限：建立属性的上限；如果需要：指定如果需要属性值时采取的行为；如果改变：指定如果属性值改变时采取的行为。3.3.基于框架专家系统的方法基于框架专家系统的方法 定义6.3（方法）附加到对象中需要时执行的过程。第29页，共54页。CISIC306.4.1 6.4.1 基于模型专家系统的提出基于模型专家系统的提出v关于人工智能的一个观点v综合各种模型的专家系统比
16、基于逻辑心理模型的系统具有更强的功能，从而有可能显著改进专家系统的设计v在诸多模型中，人工神经网络模型的应用最为广泛第30页，共54页。CISIC31 The contribution&limitation of Rule-based ES Use various qualitative models to AI An expert system integrated with various models第31页，共54页。CISIC32 Parallel and distributed processingParallel algorithms(software)Multiprocesso
17、rs(hardware)distributedSynchronous communication among components Synergetic work with multiple ES High-level descriptive language第32页，共54页。CISIC33vDescribe the function,performance and inference of ESvDescribe domain knowledge for knowledge representation Self-learning function New inference techni
18、ques Advanced intellectual man-machine interface第33页，共54页。CISIC34 神经网络模型从知识表示、推理机制到控制方式，与目前专家系统中的基于逻辑的心理模型有本质的区别 三种神经网络模型与专家系统集成模式神经网络支持专家系统专家系统支持神经网络协同式的神经网络专家系统第34页，共54页。CISIC35知识获取学习示例网络结构学习算法解释器专家神经网络用户知识库推理机图6.7 神经网络专家系统的基本结构第35页，共54页。CISIC36神经网络的知识表示是一种隐式表示神经网络通过实例学习实现知识自动获取神经网络的推理是个正向非线性数值计算过
19、程，同时也是一种并行推理机制同一知识领域的几个独立的专家系统可组合成更大的神经网络专家系统第36页，共54页。CISIC376.5.1 基于Web专家系统的结构 基于Web专家系统的简单结构如图6.10所示，主要分为3个层次：浏览器、应用逻辑层和数据库层，这种结构符合3层网络结构。用户Web浏览器应用服务器Web推理机数据库服务器数据库知识库图6.10 基于Web专家系统的结构第37页，共54页。CISIC38知识库维护系统诊断咨询系统Internet诊断专家系统Web接口推理机解释器知识库（规则）知识库（事实）（a）远程诊断专家系统的结构Web浏览器Web服务器ASP文件(使用ADO)ODB
20、C驱动程序知识库系统（b）Web用户存取服务器专家系统的流程图6.11基于 Web的飞机故障远程诊断专家系统的结构第38页，共54页。CISIC39图6.12基于 Web的拖网绞机专家系统的结构 客户端客户端Web服务器数据库服务器全 局推理机全局数据库全局知识库Internet/Intranet局部数据库局部推理机局部知识库用户界面接口设计用户设计任务客户端知识库维护系统界面接口客户端专家知识工程师第39页，共54页。CISIC401.基于 Web的飞机故障远程诊断专家系统 诊断咨询系统的实现诊断咨询系统的实现 Web用户存取远程专家系统的具体实现过程如下。a用户端借助浏览器页面填写飞机故障
21、现象表单，指定URL，通过HTTP通信协议从Web服务器下载指定的ASP文件。b.Web服务器判断ASP文件中是否含有脚本程序（JavaScript或VBScript），若有，则执行相应的程序（推理机）。对于那些不是脚本的部分则直接传给浏览器。c.若脚本程序使用了ADO对象，则Web服务器会根据ADO对象所设置的参数来启动对应的ODBC驱动程序，然后利用ADO对象访问专家知识库。d.根据推理匹配结果，由脚本程序利用ASP所做的输出对象生成Web页面，从Web服务器传递给客户端浏览器，从而实现飞机故障的远程诊断。知识库的管理与维护知识库的管理与维护 第40页，共54页。CISIC41 知识表示和
22、知识库知识表示和知识库 推理机推理机 基于实例推理 基于规则的推理 实例检索实例检索 回溯策略回溯策略 WebWeb数据库访问数据库访问 第41页，共54页。CISIC426.6.1 新型专家系统的特征 并行与分布处理 多专家系统协同工作高级语言和知识语言描述具有自学习功能引入新的推理机制 具有自纠错和自完善能力 先进的智能人机接口第42页，共54页。CISIC43 主要目的：把一个专家系统的功能经分解以后分布到多个处理器上去并行地工作，从而在总体上提高系统的处理效率。可以工作在紧耦合的多处理器系统环境中，也可工作在松耦合的计算机网络环境里，所以其总体结构在很大程度上依赖于其所在的硬件环境。第
23、43页，共54页。CISIC44功能分布 把分解得到的系统各部分功能或任务合理均衡地分配到各处理节点上去知识分布 根据功能分布的情况把有关知识经合理划分以后分配到各处理节点上接口设计 各部分间接口的设计目的是要达到各部分之间互相通讯和同步容易进行 系统结构 一方面依赖于应用的环境与性质，另一方面依赖于其所处的硬件环境 驱动方式 可供选择的几种驱动方式：(1)控制驱动，(2)数据驱动，(3)需求驱动，(4)事件驱动第44页，共54页。CISIC45 一般专家系统解题的领域面很窄 协同式多专家系统是克服一般专家系统的局限性的一个重要途径。协同式多专家系统亦可称“群专家系统”第45页，共54页。CI
24、SIC46 任务的分解 公共知识的导出 讨论方式 驱动方式第46页，共54页。CISIC47分为以下两部分介绍分为以下两部分介绍:以设计一个基于规则的维修咨询系统为例，说明专家系统的设计过程。这一过程包括描述专家知识、应用知识和解释决策等。专家知识的描述 知识的使用和决策解释 第47页，共54页。CISIC48 结论的表示 结论规定了所涉及专门知识的范围 观测的表示 观测是得到结论所需要的观察或量测结果 推理规则的表示 产生式规则是决策规则最为常用的表示形式,可根据观测和假设之间的逻辑关系分成3类：(1)FF规则);(2)FH规则;(3)HH规则第48页，共54页。CISIC49 结论的分级与
25、选择 询问问题的策略固定的顺序根据具体情况作出某种选择 决策的解释对系统设计者的解释对系统使用者的解释第49页，共54页。CISIC50 专家系统工具是一种更高级的计算机程序设计语言 现有的专家系统工具，主要分为骨架型工具、语言型工具、构造辅助工具和支撑环境等4类第50页，共54页。CISIC51 定义 只保留原系统独立于问题领域知识的推理机部分形成的工具称为骨架 优点 使用方便，节省在开发系统的过程结构上的时间，提高开发效率，交互性好，提供很强的对结果进行解释的功能 问题及缺点 实例：EMYCIN 第51页，共54页。CISIC52 与骨架型的对比 优点：结构变化范围广泛，表示灵活，所适应的范围广泛。问题及缺点：功能上的通用性与使用上的方便性的矛盾造成一些问题和缺点 实例：OPS5、CLIPS等第52页，共54页。CISIC53 主要分两类 设计辅助工具，知识获取辅助工具 实例：AGE系统、TEIRESIAS4.支撑环境v支撑设施是指帮助进行程序设计的工具v四个典型组件：调试辅助工具、输入输出设施、解释设施和知识库编辑器。第53页，共54页。CISIC54 本章首先研究了专家系统的基本问题 接着讨论了基于不同技术(规则、框架、模型)建立的专家系统 第六节归纳了新型专家系统 第七节介绍了专家系统的设计 第八节简介了4种主要开发工具第54页，共54页。
