专家系统-PPT课件.ppt

1、专家系统专家系统sspu 王帅人工智能概述概述专家系统是专家系统是AI研究中最重要也是最活跃的一个研究中最重要也是最活跃的一个分支，它实现了分支，它实现了AI从理论走向实际应用，从一从理论走向实际应用，从一般思维方法探讨转入专门知识运用的重大突破。般思维方法探讨转入专门知识运用的重大突破。目前专家系统、自然语言理解、智能机器人一目前专家系统、自然语言理解、智能机器人一个并列为个并列为AI研究最活跃的三大领域研究最活跃的三大领域自自1968年费根鲍姆等人研制成功第一个专家系年费根鲍姆等人研制成功第一个专家系统统DENDRAL以来，以来，ES广泛应用于医疗、金融、广泛应用于医疗、金融、地址、化工、

2、军事、教育、艺术等各个领域，地址、化工、军事、教育、艺术等各个领域，产生了巨大的经济效益产生了巨大的经济效益sspu 王帅人工智能什么是专家系统什么是专家系统自从自从1965年世界上第一个专家系统年世界上第一个专家系统DENDRAL问问世以来世以来,专家系统的技术和应用专家系统的技术和应用,在短短的在短短的 40 余余年间获得了长足的进步和发展。特别是年间获得了长足的进步和发展。特别是20世纪世纪 80 年代中期以后年代中期以后,随着知识工程技术的日渐丰随着知识工程技术的日渐丰富和成熟富和成熟,各种各样的实用专家系统如雨后春笋各种各样的实用专家系统如雨后春笋般地在世界各地不断涌现。那么般地在世

3、界各地不断涌现。那么,究竟什么是专究竟什么是专家系统呢？家系统呢？顾名思义顾名思义,专家系统专家系统(ES)就是能像人类专家一就是能像人类专家一样解决困难、样解决困难、复杂的实际问题的计算机复杂的实际问题的计算机(软件软件)系统。系统。sspu 王帅人工智能我们知道我们知道“专家专家”就是专门家就是专门家,是某一专是某一专门领域的行家里手。门领域的行家里手。专家之所以是专家专家之所以是专家,是因为他是因为他(她她)解决问题时具有超凡的能力解决问题时具有超凡的能力和水平。和水平。专家之所以具有超凡的能力和专家之所以具有超凡的能力和水平水平,是因为是因为:v(1)专家拥有丰富的专业知识和实践经验专

4、家拥有丰富的专业知识和实践经验,或或者说他者说他(她她)拥有丰富的理论知识和经验知识拥有丰富的理论知识和经验知识,特别是经验知识。特别是经验知识。v(2)专家具有独特的思维方式专家具有独特的思维方式,即独特的分析即独特的分析问题和解决问题的方法和策略。问题和解决问题的方法和策略。sspu 王帅人工智能所以所以,这两点就是一个专家所具备的基本这两点就是一个专家所具备的基本要素。那么要素。那么,这两点自然也应该是专家系这两点自然也应该是专家系统所具备的基本要素。另外统所具备的基本要素。另外,专家只能是专家只能是某一专门领域的专家；从效果看某一专门领域的专家；从效果看,专家解专家解决问题一定是高水平

5、的。因此决问题一定是高水平的。因此,专家系统专家系统应该具备以下四个要素：应该具备以下四个要素：v(1)应用于某专门领域。应用于某专门领域。v(2)拥有专家级知识。拥有专家级知识。v(3)能模拟专家的思维。能模拟专家的思维。v(4)能达到专家级水平。能达到专家级水平。sspu 王帅人工智能所以所以,准确一点讲准确一点讲,专家系统就应该是：应用专家系统就应该是：应用于某一专门领域于某一专门领域,拥有该领域相当数量的专拥有该领域相当数量的专家级知识家级知识,能模拟专家的思维能模拟专家的思维,能达到专家能达到专家级水平级水平,能像专家一样解决困难和复杂的实能像专家一样解决困难和复杂的实际问题的计算机

6、际问题的计算机(软件软件)系统。系统。例如例如,能模拟名医进行辨症施治的诊断医疗能模拟名医进行辨症施治的诊断医疗系统就是一种专家系统系统就是一种专家系统,能模拟地质学家进能模拟地质学家进行地下资源评价和地质数据解释的计算机行地下资源评价和地质数据解释的计算机(软件软件)系统系统,也是一种专家系统。也是一种专家系统。sspu 王帅人工智能概概 述述专家系统（专家系统（ES，Expert System）是在某领域中）是在某领域中具有专家知识和求解问题能力的智能软件系统具有专家知识和求解问题能力的智能软件系统vES是一种能运用专家的知识与经验进行推理的启发是一种能运用专家的知识与经验进行推理的启发式

7、智能软件式智能软件vES的智能来源于专家的知识、经验、解决问题的诀的智能来源于专家的知识、经验、解决问题的诀窍，窍，ES内部必须包含大量专家水平的知识，而且内部必须包含大量专家水平的知识，而且ES在运行过程中应具有灵活性，能不断增长知识，修在运行过程中应具有灵活性，能不断增长知识，修改原有知识改原有知识vES不是万能的，只能利用所属领域的知识、方法来不是万能的，只能利用所属领域的知识、方法来解决本领域的问题解决本领域的问题vES应能解释本身的推理过程，能随时回答用户提出应能解释本身的推理过程，能随时回答用户提出的问题，即的问题，即ES应具有解释机制应具有解释机制sspu 王帅人工智能ESES特

8、点特点 具有三级知识结构具有三级知识结构v数据级：初始证据、中间结论、最终结论数据级：初始证据、中间结论、最终结论v知识库级：专家的知识知识库级：专家的知识v控制级：关于如何运用前两种知识的知识，即推理机的知识，体现了控制级：关于如何运用前两种知识的知识，即推理机的知识，体现了系统的系统的“智能智能”程度程度（传统程序只有数据级和程序级知识）（传统程序只有数据级和程序级知识）具有特定领域的专家知识，知识面比较狭窄，但很精，针对性强具有特定领域的专家知识，知识面比较狭窄，但很精，针对性强 符号处理能力（传统程序多重于数值计算）符号处理能力（传统程序多重于数值计算）具有解释机制具有解释机制 具有灵

9、活性，知识库和推理机相分离，便于知识的更新和扩充具有灵活性，知识库和推理机相分离，便于知识的更新和扩充 专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘,易受环境、情绪等的影响易受环境、情绪等的影响,它它可始终如一地以专家级的高水平求解问题。因此可始终如一地以专家级的高水平求解问题。因此,从这种意义上讲从这种意义上讲,专家系统可以超过专家本人。专家系统可以超过专家本人。有些专家系统还具有有些专家系统还具有“自学习自学习”能力能力,即不断对自己的知识进行扩即不断对自己的知识进行扩充、完善和提炼。这一点是传统系统所无法比拟的。充、完善和提炼。这一点是传统系统所无法比拟的。sspu

10、王帅人工智能ESES的类型的类型关于专家系统的分类关于专家系统的分类,目前还无定论。目前还无定论。v按用途分类按用途分类,专家系统可分为：专家系统可分为：诊断型、解释型、预诊断型、解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型等几种类型等几种类型。这些专家系统的功能大部分都是显然。这些专家系统的功能大部分都是显然的的,无须做过多解释。这里的解释是对仪器仪表的检无须做过多解释。这里的解释是对仪器仪表的检测数据进行分析、测数据进行分析、推测得出某种结论。例如通过对推测得出某种结论。例如通过对一个地区的地质数据进行分析一个地区的地质数据进行分析,从

11、而对地下矿藏的分从而对地下矿藏的分布和储量等得出结论。又如布和储量等得出结论。又如,通过对一个人的心电图通过对一个人的心电图波形数据进行分析波形数据进行分析,从而对该人的心脏生理病理情况从而对该人的心脏生理病理情况得出某种结论。显然得出某种结论。显然,以上两种事情都是经验丰富的以上两种事情都是经验丰富的专家才能胜任的。而所谓专家才能胜任的。而所谓“规划规划”,就是为完成某任就是为完成某任务而安排一个行动序列。例如务而安排一个行动序列。例如,对地图上的两地间找对地图上的两地间找一条最短的路径、为机器人做某件事安排一个动作一条最短的路径、为机器人做某件事安排一个动作序列等。序列等。sspu 王帅人

12、工智能v按输出结果分类按输出结果分类,专家系统可分为专家系统可分为分析型和分析型和设计型设计型。分析型就是其工作性质属于逻辑推分析型就是其工作性质属于逻辑推理理,其输出结果一般是个其输出结果一般是个“结论结论”,如如 1 中的中的前四种前四种,就都是分析型的就都是分析型的,它们都是通过一系它们都是通过一系列推理而完成任务的；列推理而完成任务的；而设计型就是其工作而设计型就是其工作性质属于某种操作性质属于某种操作,其输出结果一般是一个其输出结果一般是一个“方案方案”,如如1 中的后四种中的后四种,就都是设计型的就都是设计型的,它们都是通过一系列操作而完成任务的。它们都是通过一系列操作而完成任务的

13、。当当然然,也可兼有分析和设计的综合型专家系统。也可兼有分析和设计的综合型专家系统。例如例如,医疗诊断专家系统就是一种综合型专家医疗诊断专家系统就是一种综合型专家系统系统,诊断病症时要分析、推理诊断病症时要分析、推理,而开处方即而开处方即制定医疗方案时要设计、操作制定医疗方案时要设计、操作(如对药剂的取如对药剂的取舍或增减等舍或增减等)。sspu 王帅人工智能v按知识表示分类按知识表示分类,可分为可分为基于产生式规则的专基于产生式规则的专家系统、基于一阶谓词的专家系统、基于框家系统、基于一阶谓词的专家系统、基于框架的专家系统、基于语义网的专家系统等等架的专家系统、基于语义网的专家系统等等。当然

14、当然,也存在综合型专家系统。也存在综合型专家系统。v知识可分为确定性知识和不确定性知识知识可分为确定性知识和不确定性知识,所以所以,按知识分类按知识分类,专家系统又可分为专家系统又可分为精确推理型和精确推理型和不精确推理型不精确推理型(如模糊专家系统如模糊专家系统)两类两类。sspu 王帅人工智能v按采用的技术分类按采用的技术分类,专家系统可分为专家系统可分为符号推符号推理专家系统和神经网络专家系统。理专家系统和神经网络专家系统。符号推理符号推理专家系统就是把专家知识以某种逻辑网络专家系统就是把专家知识以某种逻辑网络(如：如：由产生式构成的显式或隐式的推理网络、由产生式构成的显式或隐式的推理网

15、络、状状态图、与或图态图、与或图,由框架构成的框架网络由框架构成的框架网络,还有还有语义网络等语义网络等)存储存储,再依据形式逻辑的推理规再依据形式逻辑的推理规则则,采用符号模式匹配的方法采用符号模式匹配的方法,基于这种逻辑基于这种逻辑网络进行推理、搜索的专家系统。神经网络网络进行推理、搜索的专家系统。神经网络专家系统就是把专家知识以神经网络形式存专家系统就是把专家知识以神经网络形式存储储,再基于这种神经网络再基于这种神经网络,依据神经元的特性依据神经元的特性函数函数,采用神经计算的方法采用神经计算的方法,基于这种神经网基于这种神经网络实现推理、搜索的专家系统络实现推理、搜索的专家系统sspu

16、 王帅人工智能v按规模分类按规模分类,可分为可分为大型协同式专家系统和大型协同式专家系统和微专家系统微专家系统。大型协同式专家系统就是由多大型协同式专家系统就是由多学科、多领域的多个专家互相配合、学科、多领域的多个专家互相配合、同力协同力协作的大型专家系统。作的大型专家系统。v按结构分类可分为按结构分类可分为集中式和分布式集中式和分布式,单机型单机型和网络型和网络型(即网上专家系统即网上专家系统)等等sspu 王帅人工智能专家系统与知识工程专家系统与知识工程 由于专家系统是基于知识的系统由于专家系统是基于知识的系统,建造专家系统就涉及建造专家系统就涉及到知识获取到知识获取(即从人类专家那里或从

17、实际问题那里搜集、即从人类专家那里或从实际问题那里搜集、整理、归纳专家级知识整理、归纳专家级知识)、知识表示、知识表示(即以某种结构形式即以某种结构形式表达所获取的知识表达所获取的知识,并将其存储于计算机之中并将其存储于计算机之中)、知识的、知识的组织与管理组织与管理(即知识库建立与维护等即知识库建立与维护等)和知识的运用和知识的运用(即使即使用知识进行推理用知识进行推理)等一系列关于知识处理的技术和方法。等一系列关于知识处理的技术和方法。特别是基于领域知识的各种知识库系统的建立特别是基于领域知识的各种知识库系统的建立,更加促更加促进了这些技术的发展。所以进了这些技术的发展。所以,关于知识处理

18、的技术和方关于知识处理的技术和方法已形成一个称为法已形成一个称为“知识工程知识工程”的学科领域。的学科领域。专家系统促使了知识工程的诞生和发展专家系统促使了知识工程的诞生和发展,知识工程又为知识工程又为专家系统提供服务。正是由于这二者的密切关系专家系统提供服务。正是由于这二者的密切关系,所以所以,现在的现在的“专家系统专家系统”与与“知识工程知识工程”几乎已成为同义语。几乎已成为同义语。sspu 王帅人工智能专家系统的组成专家系统的组成 不同领域和不同类型的不同领域和不同类型的ES，体系结构和功能都不完全，体系结构和功能都不完全相同，通常一个最基本的相同，通常一个最基本的ES由六个部分组成由六

19、个部分组成v人机界面：用于人机界面：用于I/O，尽可能使用自然语言，尽可能使用自然语言v知识库管理部分：包括知识获取（学习功能）和知识维护，通知识库管理部分：包括知识获取（学习功能）和知识维护，通常设计一些编辑软件完成常设计一些编辑软件完成v知识库：包括大家共知的常识性知识和专家的启发性知识（经知识库：包括大家共知的常识性知识和专家的启发性知识（经验、诀窍、直觉）验、诀窍、直觉）v数据库：也称为黑板，用于存放初始证据、中间结果和最终结数据库：也称为黑板，用于存放初始证据、中间结果和最终结果果v推理机：用来控制协调整个推理机：用来控制协调整个ES的程序，是的程序，是ES的思维机构的思维机构v解释

20、机构：由一组程序组成，负责跟踪并记录推理过程，解释解释机构：由一组程序组成，负责跟踪并记录推理过程，解释推理过程，是推理过程，是ES与一般程序相区别的重要特征之一，也是取信与一般程序相区别的重要特征之一，也是取信于用户的一个重要措施于用户的一个重要措施sspu 王帅人工智能专家系统的概念结构sspu 王帅人工智能知识库知识库(Knowledge Base,KB)(Knowledge Base,KB)是以某种表示形式存储于计算机中的知识是以某种表示形式存储于计算机中的知识的集合。的集合。知识库通常是以一个个文件的形式存放于知识库通常是以一个个文件的形式存放于外部介质上外部介质上,专家系统运行时将

21、被调入内存。专家系统运行时将被调入内存。知识库中的知识一般包括专家知识、领域知识库中的知识一般包括专家知识、领域知识和元知识。元知识是关于调度和管理知识和元知识。元知识是关于调度和管理知识的知识。知识库中的知识通常就是按知识的知识。知识库中的知识通常就是按照知识的表示形式、照知识的表示形式、性质、层次、内容来性质、层次、内容来组织的组织的,构成了知识库的结构构成了知识库的结构sspu 王帅人工智能推理机推理机(Inference Engine,IE)推理机推理机,就是实现就是实现(机器机器)推理的程序。推理的程序。这里的推理这里的推理,是一个广义的概念是一个广义的概念,它既包括通常的逻辑推理它

22、既包括通常的逻辑推理,也包括基于产生式的操作。也包括基于产生式的操作。推理机是使用知识库中的知识进行推理而解决问题的推理机是使用知识库中的知识进行推理而解决问题的,所所以推理机也就相当于专家的思维机制以推理机也就相当于专家的思维机制,即专家分析问题、即专家分析问题、解决问题的方法的一种算法表示和程序实现。解决问题的方法的一种算法表示和程序实现。知识库和推理机构成了一个专家系统的基本框架。知识库和推理机构成了一个专家系统的基本框架。同时同时,这两部分又是相辅相成、密切相关的。因为不同的知识这两部分又是相辅相成、密切相关的。因为不同的知识表示有不同的推理方式表示有不同的推理方式,所以所以,推理机的

23、推理方式和工作效推理机的推理方式和工作效率不仅与推理机本身的算法有关率不仅与推理机本身的算法有关,还与知识库中的知识以还与知识库中的知识以及知识库的组织有关。及知识库的组织有关。sspu 王帅人工智能动态数据库动态数据库动态数据库也称全局数据库、综合数据库、动态数据库也称全局数据库、综合数据库、工作存储器、工作存储器、黑板等黑板等,它是存放初始证据它是存放初始证据事实、推理结果和控制信息的场所事实、推理结果和控制信息的场所,或者或者说它是上述各种数据构成的集合。动态数说它是上述各种数据构成的集合。动态数据库只在系统运行期间产生、变化和撤消据库只在系统运行期间产生、变化和撤消,所以称为所以称为“

24、动态动态”数据库数据库,且在图中用虚且在图中用虚线包围。线包围。需要说明的是需要说明的是,动态数据库虽然动态数据库虽然也叫数据库也叫数据库,但它并不是通常所说的数据但它并不是通常所说的数据库库,两者有本质差异两者有本质差异sspu 王帅人工智能人机界面人机界面人机界面指的是最终用户与专家系统的交人机界面指的是最终用户与专家系统的交互界面。互界面。一方面一方面,用户通过这个界面向系统提出或用户通过这个界面向系统提出或回答问题回答问题,或向系统提供原始数据和事实或向系统提供原始数据和事实等等 另一方面另一方面,系统通过这个界面向用户提出系统通过这个界面向用户提出或回答问题或回答问题,并输出结果以及

25、对系统的行并输出结果以及对系统的行为和最终结果做出适当解释为和最终结果做出适当解释sspu 王帅人工智能解释模块解释模块解释程序模块专门负责向用户解释专家系解释程序模块专门负责向用户解释专家系统的行为和结果。统的行为和结果。推理过程中推理过程中,它可向用户解释系统的行为它可向用户解释系统的行为,回答用户回答用户“why”之类的问题之类的问题推理结束后它可向用户解释推理的结果是推理结束后它可向用户解释推理的结果是怎样得来的怎样得来的,回答回答“how”之类的问题之类的问题sspu 王帅人工智能知识库管理系统知识库管理系统知识库管理系统是知识库的支撑软件。知知识库管理系统是知识库的支撑软件。知识库

26、管理系统对知识库的作用识库管理系统对知识库的作用,类似于数类似于数据库管理系统对数据库的作用据库管理系统对数据库的作用,其功能包其功能包括知识库的建立、删除、重组；知识的获括知识库的建立、删除、重组；知识的获取取(主要指录入和编辑主要指录入和编辑)、维护、查询、更、维护、查询、更新；以及对知识的检查新；以及对知识的检查,包括一致性、冗包括一致性、冗余性和完整性检查等等。余性和完整性检查等等。sspu 王帅人工智能专家系统的理想结构 sspu 王帅人工智能专家系统的实际结构专家系统的实际结构实际问题中往往不仅需要推理实际问题中往往不仅需要推理,而且还需要作一而且还需要作一些其他处理。如在推理前也

27、可能还需要作一些些其他处理。如在推理前也可能还需要作一些预处理预处理(如计算如计算),推理后也可能要作一些再处理推理后也可能要作一些再处理(如绘图如绘图),或者或者,处理和推理要反复交替多次处理和推理要反复交替多次,或或经多路进行等等。这样以来经多路进行等等。这样以来,就使得专家系统的就使得专家系统的实际结构可能变得多式多样。实际结构可能变得多式多样。v例如例如,实际结构中实际结构中,专家系统只作为整个系统的一个专家系统只作为整个系统的一个模块模块(称为专家模块称为专家模块)嵌套在一个实际的应用系统中嵌套在一个实际的应用系统中,而整个应用系统可能包含一个或者多个专家模块。而整个应用系统可能包含

28、一个或者多个专家模块。sspu 王帅人工智能专家系统的实际结构示例 sspu 王帅人工智能AI AI 其其 它它 方方 面面机器学习机器学习就是让计算机自动获取知识，是当前就是让计算机自动获取知识，是当前AI研究的主要障碍和研究的主要障碍和发展方向之一发展方向之一更多的内容可以自己看教材第更多的内容可以自己看教材第6章章神经网络神经网络属于交叉学科，涉及到生物、电子、计算机、数学、物理属于交叉学科，涉及到生物、电子、计算机、数学、物理等等各种神经网络模型，可看教材各种神经网络模型，可看教材P245 的介绍的介绍自然语言理解自然语言理解60年代主要采用关键词匹配技术年代主要采用关键词匹配技术70年代采用词法年代采用词法-句法句法-语义分析语义分析80年代后采用语料库技术年代后采用语料库技术语料就是自然语言中使用的材料，如单词、词组、短语、语料就是自然语言中使用的材料，如单词、词组、短语、习惯用语等习惯用语等