1、第五章第五章 专家系统专家系统 本章重点：专家系统的一般特点 专家系统的结构 MYCIN所采用的非精确推理方法.第五章第五章 专家系统专家系统5.1 专家系统概述专家系统概述n专家是专门领域中，具有超凡能力和水平的人。专家拥有丰富的专业知识和实践经验，或者说拥有丰富的理论知识和经验知识，特别是经验知识；专家具有独特的思维方式，即独特的分析问题和解决问题的方法和策略。.第五章第五章 专家系统专家系统5.1 专家系统概述专家系统概述n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。n一般应用程序与专家系统的区别 前者把问题求解知识隐含地编入程序，而后者把其应用领域的问题求解知识单独组成一个
2、实体，即为知识库。一般应用程序把知识组织为两级：数据级和程序级；大多数专家系统则将知识组织成三级；数据、知识库和控制。.第五章第五章 专家系统专家系统5.2 专家系统的一般特点专家系统的一般特点1.专家系统的特点专家系统的特点(1)启发性专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。.第五章第五章 专家系统专家系统5.2 专家系统的一般特点专家系统的一般特点1.专家系统的特点专家系统的特点(2)透明性 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，以便用户了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。.第五章第五章 专家系统专家系统5.2 专家系统的一般特点专家系统的一般特点1.专家系统的
3、特点专家系统的特点(3)灵活性 专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。由于这一特点，使得专家系统具有十分广泛的应用领域。.第五章第五章 专家系统专家系统5.2 专家系统的一般特点专家系统的一般特点2.专家系统的优点专家系统的优点(1)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。(2)专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。.第五章第五章 专家系统专家系统5.2 专家系统的一般特点专家系统的一般特点2.专家系统的优点专家系统的优点(3)可以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。(4)专家系统能促进各领域的发展，它使各领
4、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。.第五章第五章 专家系统专家系统5.2 专家系统的一般特点专家系统的一般特点2.专家系统的优点专家系统的优点(5)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，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。(6)军事专家系统的水平是国防现代化的重要标志之一。.第五章第五章 专家系统专家系统5.2 专家系统的一般特点专家系统的一般特点2.专家系统的优点专家系统的优点(7)专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。(8)研究专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的各个
5、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。.第五章第五章 专家系统专家系统5.3 专家系统的类型专家系统的类型1.解释专家系统解释专家系统 解释专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。例如：语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。.第五章第五章 专家系统专家系统5.3 专家系统的类型专家系统的类型2.预测专家系统预测专家系统 预测专家系统的任务是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。例如：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。.第五章第五章 专家系统专家系
6、统5.3 专家系统的类型专家系统的类型3.诊断专家系统诊断专家系统 诊断专家系统的任务是根据观察到的情况(数据)来推断出某个对象机能失常(即故障)的原因。例如：医疗诊断，电子机械和软件故障诊断以及材料失效诊断等。.第五章第五章 专家系统专家系统5.3 专家系统的类型专家系统的类型4.设计专家系统设计专家系统 设计专家系统的任务是根据设计要求，求出满足设计问题约束的目标配置。例如：电路(如数字电路和集成电路)设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、机械产品设计和生产工艺设计等。.第五章第五章 专家系统专家系统5.3 专家系统的类型专家系统的类型5.规划专家系统规划专家系统 规划专家系统的任务在于
7、寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。例如：机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案规划等。.第五章第五章 专家系统专家系统5.3 专家系统的类型专家系统的类型6.监视专家系统监视专家系统 监视专家系统的任务在于对系统、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，以发现异常情况，发出警报。例如：核电站的安全监视、防空监视与警报、国家财政的监控、传染病疫情监视及农作物病虫害监视与警报等。.第五章第五章 专家系统专家系统5.3 专家系统的类型专家系统的类型7.控制专家系统控制专家系统 控制专家系统的任务是自适应地管理一个受控对象或
8、客体的全面行为，使之满足预期要求。例如：空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和生产质量控制等都是控制专家系统的潜在应用方面。.第五章第五章 专家系统专家系统5.3 专家系统的类型专家系统的类型8.调试专家系统调试专家系统 调试专家系统的任务是对失灵的对象给出处理意见和方法。例如：新产品或新系统的调试，被修设备的调整、测量与试验。.第五章第五章 专家系统专家系统5.3 专家系统的类型专家系统的类型9.教学专家系统教学专家系统 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。例如：我国一些大学开发的计算机程序设计语言和物理
9、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。.第五章第五章 专家系统专家系统5.3 专家系统的类型专家系统的类型10.修理专家系统修理专家系统 修理专家系统的任务是对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。例如：美国贝尔实验室的ACI电话和有线电视维护修理系统是修理专家系统的一个应用实例。.第五章第五章 专家系统专家系统5.4 专家系统的结构和建造步骤专家系统的结构和建造步骤1.专家系统的结构专家系统的结构n专家系统的概念结构专家系统的概念结构图图人 机 接 口推理机解释器综合数据库知识库知识库管理系统.第五章第五章 专家系
10、统专家系统5.4 专家系统的结构和建造步骤专家系统的结构和建造步骤2.专家系统的主要组成部分及其功能专家系统的主要组成部分及其功能(1)知识库(knowledge base)知识库知识库用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可行操作与规则等。为了建立知识库，要解决知识获取和知识表示问题。知识获取知识获取涉及知识工程师如何从专家那里获得专门知识的问题；知识表示知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识的问题。.第五章第五章 专家系统专家系统5.4 专家系统的结构和建造步骤专家系统的结构和建造步骤2.专家系统的主要组成部分及其功能专家系统的主要组成部分及其功能(2)综合数据库(
11、global database)综合数据库又称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据(信息)，即被处理对象的一些当前事实。.第五章第五章 专家系统专家系统5.4 专家系统的结构和建造步骤专家系统的结构和建造步骤2.专家系统的主要组成部分及其功能专家系统的主要组成部分及其功能(3)推理机(reasoning machine)推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。.第五章第五章 专家系统专家系统5.4 专家系统的结构和建造步骤专家系统的结构和建造步
12、骤2.专家系统的主要组成部分及其功能专家系统的主要组成部分及其功能(4)解释器(explanator)解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其它候选解的原因。.第五章第五章 专家系统专家系统5.4 专家系统的结构和建造步骤专家系统的结构和建造步骤2.专家系统的主要组成部分及其功能专家系统的主要组成部分及其功能(5)人机接口(interface)人机接口又称人机界面，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等。系统则通过接口，要求用户回答提问，并回答用户提出的问题，进行必要的解释。.第五章第五章 专家系统专家系统5.
13、4 专家系统的结构和建造步骤专家系统的结构和建造步骤2.专家系统的主要组成部分及其功能专家系统的主要组成部分及其功能(6)知识库管理系统(manage system of knowledge base)知识库管理系统是知识库的支撑软件。知识库管理系统对知识库的作用，类似于数据库管理系统对数据库的作用，其功能包括知识库的建立、删除、重组、知识的获取、维护、查询、更新；以及对知识的检查，包括一致性、冗余性和完整性检查等。.3.专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤知识化概念化形式化规则化合法化问题知识概念结构形式规则改进再设计重新阐述.第五章第五章 专家系统专家系统5.5专家系统实例专家系统实例MY
14、CIN 1 MYCIN概述概述 n MYCIN系统是由斯坦福(Stanford)大学建立的对细菌感染疾病的诊断和治疗提供咨询的计算机咨询专家系统。.1 MYCIN概述概述nMYCIN系统由3个子系统组成：咨询子系统，解释子系统和规则获取子系统，如右图所示。.1 MYCIN概述概述n MYCIN系统的工作过程:咨询开始时，先启动咨询子系统，进入人机对话状态。在对话过程中，系统向用户提出必要的问题，进行推理。系统只在根据已有的信息无法推论所需的信息时才询问。.1 MYCIN概述概述n MYCIN系统的工作过程:当结束咨询时，系统自动地转入解释子系统。解释子系统回答用户的问题，并解释推理过程。解释时
15、，系统显示用英语形式表示的规则，并说明为什么需要某种信息，以及如何得到某个结论。.1 MYCIN概述概述n MYCIN系统的工作过程:规则获取子系统只由建立系统的知识工程师所使用。当发现有规则被遗漏或不完善时，知识工程师可以利用这个系统来增加和修改规则。.第五章第五章 专家系统专家系统5.5专家系统实例专家系统实例MYCIN2 咨询子系统咨询子系统 在咨询过程中，MYCIN逐步建立为得出结论所必需的信息，这些信息有关于病人的一般情况、培植的培养物、从培养物中分离的细菌以及已服用的药物等。这些信息分别归类到相应的项目中去，这些项目称为上下文。.2 咨询子系统咨询子系统 右图所示的上下文树表示病人
16、-1的有关信息。这种信息或通过询问医生，或由系统本身推理得到。.2 咨询子系统咨询子系统 MYCIN系统使用逆向推理的控制策略。在程序的任何一点，其目标都是跟踪某一上下文的参数。跟踪的方法是调用所有在其操作部分得出这个参数的规则。开始咨询时，首先把上下文树的根节点具体化为病人-1。然后试图找出这个上下文类型的治疗方案参数(要用到目标规则)。.2 咨询子系统咨询子系统 为此，系统需要跟踪目标规则的前提部分所涉及的参数。医生很可能不能直接知道这些参数，所以需要应用可以推论出这些参数的规则。然后，又跟踪这些规则的前提部分中的参数。这样跟踪下去，直到通过医生的回答以及推论可以找到所需的参数为止。.第五
17、章第五章 专家系统专家系统5.5专家系统实例专家系统实例MYCIN3 静态数据库静态数据库 MYCIN有一个静态数据库包括所有的产生式规则以及所有的咨询程序所需的信息。每一类上下文、规则、参数都有若干特性来充分地描述它们。这些特性都储存在静态数据库中。这样的静态数据库也就是专家系统的知识库。.第五章第五章 专家系统专家系统5.5专家系统实例专家系统实例MYCIN4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法 n MYCIN在咨询过程中利用可信度而不是正规的统计量作为在几种可能性中进行选择的量度。这是因为根据医生临床经验，医生用以诊断的信息并不适合于正规统计方法，而可信度的概念似乎更
18、符合医生进行推理的方式。.4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法n 根据主观概率理论，专家的先验概率P(h)反映专家在不出现证据的条件下相信假设h的程度，因此1-P(h)可认为是在此条件下专家不相信此假设成立的程度。如果P(he)大于P(h)，说明由于证据e的出现使专家相信h成立的可能性增加了，或者说不相信h成立的可能性减少了。.4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法n因证据e出现而引起的对假设h 不相信程度相对减少值（如右式所示），用作相信程度增加的度量，记为MBh，e。n因证据e出现而引起的对假设h相信程度相对减少值（如右式所示），用作不相信程度增加
19、的度量，记为MDh，e。.4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法n 因为一项证据或者对某个假设的成立有利，或对此不利，两者不能同时存在，所以当MBh，e0时，MDh，e=0，反之亦然。如果证据e和假设h无关，那么MBh，e，MDh，e都为零。.4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法n可信度CF定义：CFh，e=MBh，e-MDh，e 可信度是一个为了把相信和不相信程度组合成一个数的人为的系数，便于在具有几种可能的假设时，比较它们的证据的强度。由于MB，MD0，1，所以CF-1，1。如果CF大于零，表示系统倾向于相信假设成立；如果CF小于零，表示反对这个假
20、设的证据更多一些，所以系统倾向于相信假设不成立。.4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法n证据的组合证据的组合如何把几个证据组合起来确定一个假设的可信度？例如，同时给定两个观察s1和s2时，对一个假设的相信和不相信程度的量度可以用右式计算：MBh,s1&s2=0 若MDh,s1&s2=1 其它 MBh,s1+MBh,s2*(1-MBh,s1)MDh,s1&s2=0 若MBh,s1&s2=1 其它 MDh,s1+MDh,s2*(1-MDh,s1).4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法n对上述公式的一种解释是：如肯定地不相信h，则对h的相信程度是零；否则，
21、给定两个观察时对h的相信程度可以是只有一个观察时的相信程度，加上由于第二个观察所增加的相信程度。为计算此增加的相信程度，首先取1与只有第一个观察时的相信程度之差。这个差是第二个观察所能增加的相信程度的最大值。所以要按只有第二个观察时对h的相信程度进行调节。n对不相信程度的计算公式也可作相似的解释。上述公式应该满足几个要求，其中包括交换律，也就是说计算结果与观察的次序无关。.4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法例初始观察使系统对假设h的相信程度为0.6，因事实s1的出现使系统对假设h的相信程度为0.75，因事实s2的出现使系统对假设h的相信程度为0.65。那么，因事实s1
22、和s2的同时出现，系统对于假设h的可信度是多少？.4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法解：已知 P(h)=0.6 P(h|s1)=0.75 P(h|s2)=0.65(|1)()0.75 0.61()1 0.6(|2)()0.65 0.61()1 0.6,10.375 ,10,CFh,s1=0.375,20.125 ,20,CFh,s1=0.125,1&2,1,2 1,1 P h sP hP hP h sP hP hMB h sMD h sMB h sMD h sMB h ssMB h sMB h sMB h s 0.3750.125(1 0.375)0.453 ,1&20
23、,CFh,s1&2=0.453MD h sss.4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法n假设的合取和析取的可信度也可以从MB和MD的组合来计算，其公式如下：MBh1&h2，e=min(MBh1，e，MBh2，e)MBh1 or h2，e=max(MBh1，e，MBh2，e)n用相似的公式可以计算MD。.4 MYCIN所采用的非精确推理方法所采用的非精确推理方法n有时证据来自不十分准确的经验或实验数据，所以证据的可信性不十分肯定。这时计算假设的可信度时，要同时考虑证据支持假设的程度以及证据的可信程度。设MBh，s表示证据s为完全可信时对h的相信程度，e是使我们相信s的观察。那么，MBh，s=MBh，s*max(0，CFs，e)n利用这个公式就可以把在推理过程的每一步引入的不确定性全部组合起来，产生最后假设的总可信度。.
