湘潭大学-人工智能课件-专家系统-Part1.ppt

1、Artificial Intelligence (AI)人工智能人工智能第四章：专家第四章：专家系统系统内容提要4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统4.3 4.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统4.4 4.4 基于模型的专家系统基于模型的专家系统4.5 4.5 基于基于WebWeb的专家系统的专家系统4.6 4.6 新型专家系统新型专家系统4.7 4.7 专家系统的设计专家系统的设计4.8 4.8 专家系统的开发工具专家系统的开发工具内容提要4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统4.3 4.3 基于框架的专家系

2、统基于框架的专家系统4.4 4.4 基于模型的专家系统基于模型的专家系统4.5 4.5 基于基于WebWeb的专家系统的专家系统4.6 4.6 新型专家系统新型专家系统4.7 4.7 专家系统的设计专家系统的设计4.8 4.8 专家系统的开发工具专家系统的开发工具4.1 概述概述v专家系统的先行者费根鲍姆（专家系统的先行者费根鲍姆（Feigenbaum）曾把曾把专家系统定义为一个应用知识和推理过程来求解专家系统定义为一个应用知识和推理过程来求解那些需要大量的人类专家解决难题经验的智能计那些需要大量的人类专家解决难题经验的智能计算机程序。算机程序。v专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统专家系

3、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的高水平难题。方法来处理该领域的高水平难题。4.1 概述概述 专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程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，以便解决那些需要判断

4、，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。简而言之，专家系人类专家才能处理好的复杂问题。简而言之，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是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。统。专家系统的概念专家系统的概念4.1 概述概述 专家系统的基本功能取决于它所含有的专家系统的基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知识，因此，有时也把专家系统称为基于知识的系统识的系统（knowledge-based system）。专家系统与一般应用程序的区别专家系统与一般应用程序的区别 前者把问题求解的知识隐含地编入程序，而前者把问题求解

5、的知识隐含地编入程序，而后者则把其应用领域的问题求解知识单独组成一后者则把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知识库。知识库的处理是通过与知个实体，即为知识库。知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的。更明确地说，一般识库分开的控制策略进行的。更明确地说，一般应用程序把知识组织为两级：数据级和程序级；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、知大多数专家系统则将知识组织成三级；数据、知识库和控制。识库和控制。4.1 概述概述4.1 概述概述专家系统的类型专家系统的类型 对专家系统可以按不同的方法分类。通对专家系统可以按不同的方法分类。通常

6、，可以按应用领域、知识表示方法、控制常，可以按应用领域、知识表示方法、控制策略、任务类型等分类。如按任务类型来划策略、任务类型等分类。如按任务类型来划分，常见的有解释型、预测型、诊断型、调分，常见的有解释型、预测型、诊断型、调试型、维护型、规划型、设计型、监督型、试型、维护型、规划型、设计型、监督型、控制型、教育型等。控制型、教育型等。v 启发性启发性 专家系统要解决的问题，其结构往往是不合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（理的，其问题求解（problem-solvingproblem-solving）知识）知识不仅包括理论知识和常识，而且包括专家本不仅包括理论知识和常识

7、，而且包括专家本人的启发知识。人的启发知识。 能运用专家的知识和经验进行推理、判断和能运用专家的知识和经验进行推理、判断和决策。决策。4.1 概述概述专家系统的特点专家系统的特点v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，以便让用户了解推答用户提出的问题，以便让用户了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。理过程，提高对专家系统的信赖感。 问题求解过程中知识应用的合理性可由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。检验专家系统的解释推理路径来验证。4.1 概述概述专家系统的特点专家系统的特点v 灵活性灵活性 专家系

8、统的灵活性是指它的扩展和丰富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。的系统性能，即自学习能力。 专家系统能不断增长知识，修改原有知专家系统能不断增长知识，修改原有知识，不断更新识，不断更新.4.1 概述概述专家系统的特点专家系统的特点4.1 概述概述专家系统的优点专家系统的优点v 专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦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。地进行工作。v 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏和忘记。可

9、能遗漏和忘记。v 可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广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。珍贵和稀缺的专家知识与经验。v 专家系统能促进各领域的发展，使各领域专家的专业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。家的知识、经验和能力。v 专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们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、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

10、作能力。更丰富的经验和更强的工作能力。v 军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要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。标志之一。v 专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。会效益。v 研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。专家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各个领域的发展起了很大的促进作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。生活产生极其深远的影响。4.1 概述概述专家系统的

11、优点专家系统的优点v定义：指专家系统各组成部分的构造方法和定义：指专家系统各组成部分的构造方法和组织组织形式形式. .v专家系统结构专家系统结构图图 4-1 4-1 专家系统简化结构图专家系统简化结构图专家知识专家知识知识库知识库输入输入或提问或提问推理机推理机答案答案4.1 概述概述专家系统的结构专家系统的结构图图4 4-2 -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器执行器调度器协调器4.1 概述概述专家系统的结构专家系统的结构 专家系统的主要组成部分：专家系统的主要组成部分：v知识库知识库v综合数据库综合数据库v推理机推理机v解释器解释器v

12、接口接口4.1 概述概述专家系统的结构专家系统的结构4.1 概述概述专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤1.1.设计初始知识库设计初始知识库 问题知识化问题知识化 知识概念化知识概念化 概念形式化概念形式化 形式规则化形式规则化 规则合法化规则合法化2.2.原型机（原型机（prototypeprototype）的开发与实验）的开发与实验3.3.知识库的改进与归纳知识库的改进与归纳知识化问题图4-3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4.1 概述概述专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤内容提要4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 基于规则的专家系统基于规则的

13、专家系统4.3 4.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统4.4 4.4 基于模型的专家系统基于模型的专家系统4.5 4.5 基于基于WebWeb的专家系统的专家系统4.6 4.6 新型专家系统新型专家系统4.7 4.7 专家系统的设计专家系统的设计4.8 4.8 专家系统的开发工具专家系统的开发工具4.2 4.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统 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 图图4-4 4-4 基于规则的工作模型基于规则的工作模型 基于规则的专家系统采用下列模块来建立产生基于规则的专家系统采用下列模块来建立

14、产生式系统的模型式系统的模型：v 知识库知识库 以一套规则建立以一套规则建立人的长期存储器模型人的长期存储器模型v 工作存储器工作存储器 建立建立人的短期存储器模型人的短期存储器模型，存放问题事实，存放问题事实和由规则激发而推断出的新事实。和由规则激发而推断出的新事实。v 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，建立放在知识库内的规则结合起来，建立人的推理模型人的推理模型，以，以推断出新的信息推断出新的信息 。4.2 4.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统 2. 2. 基于规则专家系统的结构基于规则专家系统

15、的结构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4-5 基于规则专家系统的结构4.2 4.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统 v 自然表达自然表达v 控制与知识分离控制与知识分离v 易于扩展易于扩展v 智能成比例增长智能成比例增长v 相关知识的使用相关知识的使用v 从严格语法获取解释从严格语法获取解释v 一致性检查一致性检查v 启发性知识的使用启发性知识的使用v 不确定知识的使用不确定知识的使用v 可以合用变量可以合用变量4.2 4.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统 3. 3. 基于规则专家系统的优点基于规则专家系统的优点v 必需精确匹配必需精确匹配v

16、有不清楚的规则关系有不清楚的规则关系v 可能慢可能慢v 对一些问题不适用对一些问题不适用4.2 4.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统 4. 4. 基于规则专家系统的缺点基于规则专家系统的缺点内容提要4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 基于规则的专家系统基于规则的专家系统4.3 4.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统4.4 4.4 基于模型的专家系统基于模型的专家系统4.5 4.5 基于基于WebWeb的专家系统的专家系统4.4 4.4 新型专家系统新型专家系统4.7 4.7 专家系统的设计专家系统的设计4.8 4.8 专家系统的开发工具专家系统的开发工具4.3 4.3 基于框

17、架的专家系统基于框架的专家系统1 1、定义、定义 基于框架的专家系统是一个计算机程序，该基于框架的专家系统是一个计算机程序，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。出新的信息。 4.3.1 基于框架专家系统的定义、结构基于框架专家系统的定义、结构 和和设计方法设计方法 基于框架的专家系统是建立在框架的基础之上基于框架的专家系统是建立在框架的基础之上的。一般概念存放在框架内，而该概念的一些特例的。一般概念存放在框架内，而该概念的一些特例则被表示在其他框架内

18、并含有实际的特征值。则被表示在其他框架内并含有实际的特征值。规则目标议程表v 类（类（classclass）v 槽槽(Slots)(Slots)v 子类（子类（subclass)subclass)v 例子例子(instances)(instances)v 规则规则(rules)(rules)v 目标议程表目标议程表 (goal agenda)2 2、 基于框架专家系统的结构基于框架专家系统的结构特征名称值侧面人类男人女人约翰李勇 丽达 王红图图4-6 4-6 人类的框架分层结构人类的框架分层结构4.3 4.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统类类子类子类例子例子3. 3. 基于框架专家系统

19、的一般设计方法基于框架专家系统的一般设计方法v 基于框架基于框架专家系统的主要设计步骤与专家系统的主要设计步骤与基于规则基于规则的专家系统的专家系统相似相似, ,主要差别主要差别在于如何看待和使用知识。在于如何看待和使用知识。v 在设计基于框架的专家系统时，把整个问题和每件事想像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。为编织起来的事物。v 在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的方法。在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的方法。v 对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程。对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程。4.3 4.3 基于框架的专家系统

20、基于框架的专家系统4.4.开发基于框架专家系统的主要任务开发基于框架专家系统的主要任务v 定义问题，包括对问题和结论考察与综述v 分析领域，包括定义事物、事物特征、事件和框架结构v 定义类及其特征v 定义例及其框架结构v 确定模式匹配规则v 规定事物通信方法v 设计系统界面v 对系统进行评价v 对系统进行扩展，深化和扩宽知识4.3 4.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统4.3 4.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统 基于框架的专家系统能够提供基于规则专家系统所没基于框架的专家系统能够提供基于规则专家系统所没有的特征，如继承、侧面、信息通信和模式匹配规则等，有的特征，如继承、侧面、信

21、息通信和模式匹配规则等，因而，基于框架的专家系统比基于规则的专家系统拥有更因而，基于框架的专家系统比基于规则的专家系统拥有更强的功能，适用于解决更复杂的问题。强的功能，适用于解决更复杂的问题。 4.3.1 4.3.1 基于框架专家系统的定义与结构基于框架专家系统的定义与结构定义定义 基于框架的专家系统是一个计算机程序，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。 4.3.2 4.3.2 基于框架的专家系统的设计方法基于框架的专家系统的设计方法1.1.基于框架专家系统的继承基于框架专家系统的继承v 继承继承: : 后辈框架呈现其父辈框架的特征

22、的过程。后辈框架呈现其父辈框架的特征的过程。v 异常处理异常处理如果框架有一些唯一的属性值，那么必须在如果框架有一些唯一的属性值，那么必须在 该框架中具体编码。该框架中具体编码。v 多重继承多重继承每个框架将从父辈、祖父辈和曾祖父辈等继每个框架将从父辈、祖父辈和曾祖父辈等继 承信息，也可以从多个父辈继承信息。承信息，也可以从多个父辈继承信息。4.3 4.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统2.2.基于框架专家系统的槽基于框架专家系统的槽v 槽槽: : 框架属性有关的扩展知识。框架属性有关的扩展知识。v 按照下面的方式，槽扩展有关给定系统属性的信息：按照下面的方式，槽扩展有关给定系统属性的信

23、息： 类型：定义和属性相关的类型；类型：定义和属性相关的类型； 默认：定义默认值；默认：定义默认值； 文档：提供属性文档；文档：提供属性文档； 约束：定义允许值；约束：定义允许值；4.3 4.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统 v 按照下面的方式，槽扩展有关给定系统属性的信息：按照下面的方式，槽扩展有关给定系统属性的信息：（续）（续） 最小界限：建立属性的下限；最小界限：建立属性的下限； 最大界限：建立属性的上限；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。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 与基于规则的专家系统相似。与基于规则的专家系统相似。4.3 4.3 基于框架的专家系统基于框架的专家系统