南邮自动化人工智能6--专家系统

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Artificial Intelligence,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,人 工 智 能,第,6,章 专家系统,6.1,专家系统概述,6.5,新型专家系统,6.2,基于规则的专,家,家系统,6.6,专家系统设计,6.3,基于框架的专,家,家系统,6.7,专家系统开发,工,工具,6.4,基于模型的专,家,家系统,6.8,小结,6.1,专家系统概述,专家系统,(expert system),是人工智能应,用,用研究最活跃,和,和最广泛的课,题,题之一,是目前,AI,应用研究的主,要,要领域之一。,定义：是一个含有,大,大量的某个领,域,域专家水平的,知,知识与经验智,能,能计算机程序,系,系统，能够利,用,用人类专家的,知,知识和解决问,题,题的方法来处,理,理该领域问题,；,；专家系统是,一,一种模拟人类,专,专家解决领域,问,问题的计算机,程,程序系统。,3,6.1.1,专家系统特点,专家系统具有,一,一些共同的特,点,点和优点,专家系统具有,下,下列,3,个特点：,启发性,透明性,灵活性,4,6.1,专家系统概述,6.1.2,专家系统的类,型,型,解释专家系统,预测专家系统,诊断专家系统,设计专家系统,规划专家系统,5,6.1,专家系统概述,监视专家系统,控制专家系统,调试专家系统,教学专家系统,修理专家系统,优点,:,1.,解释专家系统,(expert system forinterpretation),任务通过对已知信,息,息与数据的分,析,析与解释，确,定,定它们的涵义,；,；,特点,数据量很大，,常,常不准确、有,错,错误、不完全,能从不完全的,信,信息中得出解,释,释，并能对数,据,据做出某些假,设,设,推理过程可能,很,很复杂和很长,应用语音理解、图,象,象分析、系统,监,监视、化学结,构,构分析和信号,解,解释等,6,6.1,专家系统概述,2.,预测专家系统,(expert system forprediction),任务通过对过去与,现,现在已知状况,的,的分析，推断,未,未来可能发生,的,的情况。,特点,系统处理的数,据,据随时间变化,，,，且可能是不,准,准确和不完全,系统需要有适,应,应时间变化的,动,动态模型,例子,有气象预报、,军,军事预测等,7,6.1,专家系统概述,3.,诊断专家系统,(expert system fordiagnosis),任务,根据观察到的,情,情况,(,数据,),来推断出某个,对,对象机能失常,(,即故障,),的原因,特点,能够了解被诊,断,断对象或客体,各,各组成部分的,特,特性以及它们,之,之间的联系,能够区分一种,现,现象及其所掩,盖,盖的另一种现,象,象,能够向用户提,出,出测量的数据,，,，并从不确切,信,信息中得出尽,可,可能正确的诊,断,断,例子,有医疗诊断等,8,6.1,专家系统概述,4.,设计专家系统,(expert system fordesign),任务,寻找出某个能,够,够达到给定目,标,标的动作序列,或,或步骤,特点,从多种约束中,得,得到符合要求,的,的设计,系统需要检索,较,较大的可能解,空,空间,能试验性地构,造,造出可能设计,，,，易于修改,能够使用已有,设,设计来解释当,前,前新的设计,例子,VAX,计算机结构设,计,计专家系统等,9,6.1,专家系统概述,5.,规划专家系统,(expert system forplanning),任务,寻找出某个能,够,够达到给定目,标,标的动作序列,或,或步骤,特点,所要规划的目,标,标可能是动态,的,的或静态的，,需,需要对未来动,作,作做出预测,所涉,及,及的,问,问题,可,可能,很,很复,杂,杂,例子,军事,指,指挥,调,调度,系,系统,、,、,ROPES,机器,人,人规,划,划专,家,家系,统,统、,汽,汽车,和,和火,车,车运,行,行调,度,度专,家,家系,统,统等,。,。,10,6.1,专家,系,系统,概,概述,6.,监视,专,专家,系,系统,(expertsystemformonitoring),任务,对系,统,统、,对,对象,或,或过,程,程的,行,行为,进,进行,不,不断,观,观察,，,，并,把,把观,察,察到,的,的行,为,为与,其,其应,当,当具,有,有的,行,行为,进,进行,比,比较,，,，以,发,发现,异,异常,情,情况,，,，发,出,出警,报,报,特点,系统,应,应具,有,有快,速,速反,应,应能,力,力,系统,发,发出,的,的警,报,报要,有,有很,高,高的,准,准确,性,性,系统,能,能够,动,动态,地,地处,理,理其,输,输入,信,信息,例子,粘虫,测,测报,专,专家,系,系统,11,6.1,专家,系,系统,概,概述,7.,控制,专,专家,系,系统,(expertsystemforcontrol),任务,自适,应,应地,管,管理,一,一个,受,受控,对,对象,或,或客,体,体的,全,全面,行,行为,，,，使,之,之满,足,足预,期,期要,求,求,特点控制,专,专家,系,系统,具,具有,解,解释,、,、预,报,报、,诊,诊断,、,、规,划,划和,执,执行,等,等多,种,种功,能,能,例子,空中,交,交通,管,管制,、,、商,业,业管,理,理、,自,自主,机,机器,人,人控,制,制、,作,作战,管,管理,、,、生,产,产过,程,程控,制,制和,生,生产,质,质量,控,控制,等,等,12,6.1,专家,系,系统,概,概述,8.,调试,专,专家,系,系统,(expertsystemfordebugging),任务,对失,灵,灵的,对,对象,给,给出,处,处理,意,意见,和,和方,法,法,特点同时,具,具有,规,规划,、,、设,计,计、,预,预报,和,和诊,断,断等,专,专家,系,系统,的,的功,能,能,例子,在这,方,方面,的,的实,例,例还,比,比较,少,少见,13,6.1,专家,系,系统,概,概述,9.,教学,专,专家,系,系统,(expertsystemforinstruction),特点,同时,具,具有,诊,诊断,和,和调,试,试等,功,功能,具有,良,良好,的,的人,机,机界,面,面,例子,MACSYMA,符号,积,积分,与,与定,理,理证,明,明系,统,统，,计,计算,机,机程,序,序设,计,计语,言,言和,物,物理,智,智能,计,计算,机,机辅,助,助教,学,学系,统,统等,14,6.1,专家,系,系统,概,概述,10.,修理,专,专家,系,系统,(expertsystemforrepair),任务,对发,生,生故,障,障的,对,对象,(,系统,或,或设,备,备,),进行,处,处理,，,，使,其,其恢,复,复正,常,常工,作,作,功能有诊,断,断、,调,调试,、,、计,划,划和,执,执行,等,等功,能,能,例子,ACI,电话,和,和有,线,线电,视,视维,护,护修,理,理系,统,统,15,6.1,专家,系,系统,概,概述,6.1.3,专家,系,系统,的,的结,构,构和,建,建造,步,步骤,定义,：,：指,专,专家,系,系统,各,各组,成,成部,分,分的,构,构造,方,方法,和,和组,织,织形,式,式,专家,系,系统,结,结构,图,图,16,6.1,专家,系,系统,概,概述,知识,库,库,推理,机,机,专家知识,输入或提问,答案,图,6.1,专家,系,系统,结,结构,简,简图,图,6.2,则为,理,理想,专,专家,系,系统,的,的结,构,构图,17,接口,用户,事实,规,规则,计划,议程,中间,解,解,黑板,知识,库,库,解释,器,器,执行,器,器,调度,器,器,协调,器,器,6.1,专家,系,系统,概,概述,一般,应,应用,程,程序,与,与专,家,家系,统,统的,区,区别,：,：,18,一般,应,应用,程,程序专家,系,系统,把问,题,题求,解,解的,知,知识,隐,隐含,地,地编,入,入程,序,序。,把知,识,识组,织,织为,两,两级,：,：数据,级,级和,程,程序,级,级。,把其,应,应用,领,领域,的,的问,题,题求,解,解知,识,识单,独,独组,成,成一,个,个实,体,体,即为知识,库,库。,将知,识,识组,织,织成,三,三级,；,；数据,、,、知,识,识库,和,和控,制,制。,6.1,专家,系,系统,概,概述,专家,系,系统,的,的主,要,要组,成,成部,分,分,知识,库,库（,KnowledgeBase,）,综合,数,数据,库,库（,GlobalDatabase,）,推理,机,机（,ReasoningMachine,）,解释,器,器（,Explanator,）,人机,接,接口,（,（,Interface,）,19,20,专家,系,系统,的,的建,造,造步,骤,骤,知识,化,化,问题,图,6.3,建立,专,专家,系,系统,的,的步,骤,骤,合法,化,化,概念,化,化,形式,化,化,规则,化,化,知识,概念,结构,形式,规则,再设,计,计,改进,重新,阐,阐述,6.1,专家,系,系统,概,概述,建立,系,系统,的,的一,般,般步,骤,骤如,下,下,设计,初,初始,知,知识,库,库,问题,知,知识,化,化,知识,概,概念,化,化,概念,形,形式,化,化,形式,规,规则,化,化,规则,合,合法,化,化,原型,机,机（,prototype,）的,开,开发,与,与实,验,验,知识,库,库的,改,改进,与,与归,纳,纳,21,6.1,专家系统,概,概述,6.2,基于规则,的,的专家系,统,统,1.,基于规则,的,的专家系,统,统的工作,模,模型,22,知识库,（规则）,工作存储,器,器,（事实）,推理机,图,6.4,基于规则,的,的工作模,型,型,基于规则,的,的专家系,统,统采用下,列,列模块来,建,建立产生,式,式系统的,模,模型,：,知识库以一套规,则,则建立人,的,的长期存,储,储器模型,工作存储,器,器建立人的,短,短期存储,器,器模型，,存,存放问题,事,事实和由,规,规则激发,而,而推断出,的,的新事实,推理机借助于把,存,存放在工,作,作存储器,内,内的问题,事,事实和存,放,放在知识,库,库内的规,则,则结合起,来,来，建立,人,人的推理,模,模型，以,推,推断出新,的,的信息,23,6.2,基于规则,的,的专家系,统,统,2.,基于规则,专,专家系统,的,的结构,24,6.2,基于规则,的,的专家系,统,统,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,专家系统,的,的结构,6.3,基于框架,的,的专家系,统,统,1.,面向目标,编,编程与基,于,于框架设,计,计,基于框架,的,的专家系,统,统建立在,框,框架的基,础,础之上,基于框架,的,的专家系,统,统采用面,向,向目标编,程,程技术,基于框架,的,的设计和,面,面向目标,的,的编程共,享,享许多特,征,征,在设计基,于,于框架系,统,统时，专,家,家系统的,设,设计者们,把,把目标叫,做,做框架,25,2.,基于框架,专,专家系统,的,的一般设,计,计方法,基于框架,专,专家系统,的,的主要设,计,计步骤与,基,基于规则,的,的专家系,统,统相似。,主,主要差别,在,在于如何,看,看待和使,用,用知识,在设计基,于,于框架的,专,专家系统,时,时，把整,个,个问题和,每,每件事想,像,像为编织,起,起来的事,物,物,在辨识事,物,物之后，,寻,寻找把这,些,些事物组,织,织起来的,方,方法,对于任何,类,类型的专,家,家系统，,其,其设计是,个,个高度交,互,互的过程,26,6.3,基于框架,的,的专家系,统,统,开发基于,框,框架的专,家,家系统的,主,主要任务,定义问题,分析领域,定义类与,特,特征,定义例子,及,及其框架,结,结构,确定模式,及,及其匹配,规,规则,规定事物,的,的通信方,法,法,设计系统,界,界面,对系统进,行,行评价,对系统进,行,行扩展，,深,深化和扩,展,展知识,27,6.4,基于模型,的,的专家系,统,统,1.,基于模型,专,专家系统,的,的提出,28,关于人工,智,智能的一,个,个观点,(,定性模型,化,化,),综合各种,模,模型的专,家,家系统比,基,基于逻辑,心,心理模型,的,的系统具,有,有更强的,功,功能，从,而,而有可能,显,显著改进,专,专家系统,的,的设计,在诸多模,型,型中，人,工,工神经网,络,络模型的,应,应用最为,广,广泛,2.,基于神经,网,网络的专,家,家系统,神经网络,模,模型从知,识,识表示、,推,推理机制,到,到控制方,式,式，与目,前,前专家系,统,统中的基,于,于逻辑的,心,心理模型,有,有本质的,区,区别,三种神经,网,网络模型,与,与专家系,统,统集成模,式,式,神经网络,支,支持专家,系,系统,专家系统,支,支持神经,网,网络,协同式的,神,神经网络,专,专家系统,29,6.4,基于模型,的,的专家系,统,统,神经网络,专,专家系统,的,的基本结,构,构,30,6.4,基于模型,的,的专家系,统,统,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,专家系统,的,的基本结,构,构,31,设有如下,推,推理规则,r1:IFE1THEN (2, 0.00001)H1,r2:IFE2THEN (100,0.0001)H1,r3:IFE3THEN (200,0.001)H2,r4:IFH1THEN (50,0.1)H2,且已知,P(E1)= P(E2)= P(H3)=0.6,P(H1)=0.091,P(H2)=0.01,又由用户,告,告知：,P(E1| S1)=0.84,P(E2|S2)=0.68,P(E3|S3)=0.36,请用主,观,观,Bayes,方法求,P(H2|S1,S2,S3)=?,习题解,答,答,32,解：,(1),由,r1,计算,O(H1|S1),先把,H1,的先验,概,概率更,新,新为在,E1,下的后,验,验概率,P(H1|E1),P (H1|E1)= (LS1,P (H1) /(LS1-1),P (H1)+1),=(2,0.091)/(2-1) 0.091+1),=0.16682,由于,P(E1|S1)=0.84 P(E1),，使用,P(H|S),公式的,后,后半部,分,分，得,到,到在当,前,前观察,S1,下的后,验,验概率,P(H1|S1),和后验,几,几率,O(H1|S1),P(H1|S1)= P(H1) +(P(H1|E1),P(H1)/(1- P(E1),(P(E1|S1) P(E1),= 0.091 +(0.16682,0.091)/ (1 0.6),(0.84, 0.6),=0.091+0.18955 0.24= 0.136492,O(H1|S1)= P(H1| S1)/ (1 -P(H1|S1),= 0.15807,33,(2),由,r,2,计算,O(H,1,| S,2,),先把,H,1,的先验,概,概率更,新,新为在,E,2,下的后,验,验概率,P(H,1,| E,2,),P(H1|E2)=(LS,2, P(H,1,)/ (LS,2,-1),P(H,1,)+1),=(100, 0.091)/ (100 -1), 0.091 +1),=0.90918,由于,P(E2|S2)=0.68 P(E2),，使用,P(H|S),公式的,后,后半部,分,分，得,到,到在当,前,前观察,S,2,下的后,验,验概率,P(H,1,| S,2,),和后验,几,几率,O(H,1,| S,2,),P(H1|S2)= P(H,1,) +(P(H,1,| E,2,) P(H,1,)/ (1 -P(E,2,),(P(E,2,| S,2,) P(E,2,),= 0.091 +(0.90918,0.091)/ (1 0.6),(0.68, 0.6),=0.25464,O(H1|S2)= P(H,1,| S,2,) /(1-P(H,1,| S,2,),=0.34163,34,(3),计算,O(H1|S1,S2),和,P(H1|S1,S2),先将,H,1,的先验,概,概率转,换,换为先,验,验几率,O(H,1,) =P(H,1,) /(1-P(H,1,)= 0.091/(1-0.091)=0.10011,再根据,合,合成公,式,式计算,H,1,的后验,几,几率,O(H,1,| S,1,S,2,)=(O(H,1,| S,1,) /O(H,1,), (O(H,1,| S,2,) /O(H,1,), O(H,1,),= (0.15807 /0.10011),(0.34163)/0.10011), 0.10011,= 0.53942,再将该,后,后验几,率,率转换,为,为后验,概,概率,P (H,1,| S,1, S2)= O(H,1,| S,1,S,2,) /(1+ O(H,1,| S,1,S,2,),= 0.35040,35,(4),由,r,3,计算,O(H,2,| S,3,),先把,H,2,的先验,概,概率更,新,新为在,E,3,下的后,验,验概率,P(H,2,| E,3,),P(H,2,| E,3,)=(LS,3, P(H,2,)/ (LS,3,-1),P(H,2,)+1),=(200, 0.01) /(200-1) 0.01+1),=0.09569,由于,P(E,3,|S,3,)=0.36P(H,1,),，使用,P(H|S),公式的,后,后半部,分,分，得,到,到在当,前,前观察,S,1,S,2,下,H,2,的后验,概,概率,P(H,2,| S,1,S,2,),和后验,几,几率,O(H,2,| S,1,S,2,),P(H,2,| S,1,S,2,) =P(H,2,) +(P(H,2,| H,1,) P(H,2,)/ (1 -P(H,1,),(P(H,1,| S,1,S,2,) P(H,1,),= 0.01+(0.33557,0.01)/(1, 0.091),(0.35040, 0.091),=0.10291,O(H,2,| S,1,S,2,) =P(H,2,| S,1, S,2,) /(1-P(H,2,| S,1, S,2,),=0.10291/(1-0.10291)= 0.11472,37,(6),计算,O(H,2,| S,1,S,2,S,3,),和,P(H,2,| S,1,S,2,S,3,),先将,H,2,的先验,概,概率转,换,换为先,验,验几率,O(H,2,) =P(H,2,) /(1-P(H,2,) )= 0.01/(1-0.01)=0.01010,再根据,合,合成公,式,式计算,H,1,的后验,几,几率,O(H,2,| S,1,S,2,S,3,)=(O(H,2,| S,1,S,2,) /O(H,2,), (O(H,2,| S,3,) /O(H,2,),O(H,2,),= (0.11472 /0.01010),(0.00604)/0.01010), 0.01010,=0.06832,再将该,后,后验几,率,率转换,为,为后验,概,概率,P (H,2,| S,1,S,2,S,3,) =O(H,1,| S,1,S,2,S,3,) /(1+ O(H,1,| S,1,S,2,S,3,),= 0.06832/(1+0.06832)=0.06395,可见，,H,2,原来的,概,概率是,0.01,，经过,上,上述推,理,理后得,到,到的后,验,验概率,是,是,0.06395,，它相,当,当于先,验,验概率,的,的,6,倍多。,