人工智能课件第5章

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第五章 专家系统,专家系统,ES（Expert System）,是人工智能领域中一个最重要的分支之一，它实现了人工智能从理论研究走向实际应用，从一般思维方法的探讨转入运用专门知识求解专门问题的重大突破。,专家系统可视为一类具有大量专门知识的计算机智能程序系统，它能运用特定领域一位或众多专家提供的专门知识和经验，并采用人工智能中的推理技术来求解和模拟通常由专家才能解决的各种复杂问题，达到与专家具有同等解决问题的能力，它可使专家的特长不受时间和空间的限制。,用 户 界 面,推理机,推理机,知识获取,数据库与知识库,专家系统的基本结构,知识库,是专家系统的核心，它由事实性知识和启发性知识构成，前者指广泛共有的事实，后者指专业领域经验和启发性知识。专家系统的知识库是关于一个领域或特定问题的若干专家知识的集合体，它可以向用户提供超过一个专家的经验和知识。,数据库,用于存储有关领域问题的事实、数据、初始状态、推理过程的各种中间状态及目标等。实际上，它相当于专家系统的工作存储区，存放用户回答的事实、已知的事实和由推理得到的事实。,推理机,是一组用来控制协调整个专家系统的方法、策略的程序，它根据用户的输入数据（如现象、症状），利用知识库中的知识，按一定推理策略（如正向推理、逆向推理、混合推理），求解当前问题，解释用户的请求，最终推出结论。一般，推理机与知识库是分离的，这不仅有利于知识的管理，而且可实现系统的通用性和伸缩性。,解释机,主要作用是解释专家系统是如何推断结论，回答用户的提问的，并使用户了解推理过程及推理过程所运用的知识和数据。,知识获取,是专家系统的学习功能，它修改知识库中原有的知识，增加新的知识。一个专家系统是否有学习能力是衡量其适应性的重要标志。,用户界面,实现要系统与用户的信息交换，为用户使用专家系统提供一个界面友好的交互环境。,5.1 专家系统的类型,5.1.1,专家系统的任务类型,Hayes-Roth,等人于1983年将专家系统按其处理的任务类型分成以下10类。,（1）解释型,分析所采集的数据，进而阐明这些数据的实际含义。,（2）诊断型,根据输入信息找出诊断对象中存在的故障。主要有医疗、机械和电子等领域中的各种诊断。,（3）预测型,根据处理对象的过去和现状推测未来的演变结果，典型的有：天气预报、人口预报和财政预报等。,（4）调试型,给出已知故障的排除方案。,（5）维修型,制定并实施纠正某类故障的规划。,（6）教育型,主要用于教学和培训任务，诊断和处理学生学习中的错误。,（7）规划型,根据给定目标，拟定行动计划。,（8）设计型,根据给定的要求形成所需要的方案或图样描述。典型的有：电路设计和机械设计,（9）监督型,主要用户实时检测。典型的有：空中交通管制和电站监控。,（10）控制型,自动控制系统的全部行为。,5.1.2,分析型专家系统,分析型专家系统求解的问题是分类问题。分类问题的基本操作为解释操作，领域问题通常由被解释的对象系统及其输入、输出三部分组成。此类专家系统求解的问题有三种：当给定输入数据和输出数据时，要求给出对象系统是否异常以及异常的原因；当给出输入数据和具体的对象系统时，要求给出系统所期望的输出；当给出输出数据和具体的对象系统时，要求给出系统所期望的输入。,分析型专家系统的主要推理方法是启发式分类方法，包括原始数据或证据经过数据抽象变成抽象数据，然后经过启发式匹配得到抽象解，最后求精得到问题的具体解。,5.1.3,设计型专家系统,设计型专家系统主要功能是在事先给定的设计要求和约束条件下，考虑各种部件的可能组合和各种可能的动作序列，最终求得满足要求的系统设计方案和行动序列。因此，设计型专家系统的知识库事各种动作和部件的组合，问题的解集是满足一定条件的部件组合或动作序列，它的基本操作是合成所需的问题解的构造操作。,5.1.4,组合型专家系统,组合型专家系统用于求解复杂领域的问题，主要使用层次假设和测试方法求解问题，此方法结合了启发式分类方法和构造问题求解方法。,5.2,知识获取的直接方法,5.2.1,概述,知识获取由领域专家、知识工程师和计算机之间的一系列交互过程组成。知识获取划分为概念化、形式化和知识求精三个阶段，要获取一个好的知识库，需要反复进行这三个阶段的工作。,知识获取的主要困难在于恰当把握领域专家所使用的概念、关系以及问题求解方法。一般来说，专家采用的语言与日常用语之间存在较大差异，而且当脱离具体问题环境时，专家对问题求解的描述与实际采用的方法存在差别，这种现象称为知识畸变。,5.2.2,知识获取的直接方法,1 交谈法,2 观察法,3 个案分析法,4 多维技术,5.2.3,知识获取的新进展,知识获取一直是专家系统开发的瓶颈，它的最终解决取决于知识的自动获取。,知识发现就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的但又潜在有用的信息和知识的过程。,5.3 专家系统的解释机制,专家系统除了具有强大的推理能力和渊博的知识外，还具有良好的解释能力。专家系统的解释内容主要是解释推理的结论，即推理过程、推理方法和策略，以及推理用到的知识和知识库的解释。用户与专家系统交互时，不仅知道什么，而且知道怎么做和为什么做。,5.3.1,预制文本解释法,预制文本解释法是最简单的一种解释方法，它类似于一般应用系统的出错处理。知识工程师在设计专家系统时，预先设计各种可能需要解释的问题，并把对每个问题的解释以文本的形式插入到程序代码中。当用户输入待解释的语句时，系统将其转换为相应的代码，然后根据这个代码将相应的解释信息显示给用户。,设计简单，但需要预先知道所有需要解释的情况，并对每一种提问提供一种可能的解释，则有时难以完成。,5.3.2,路径跟踪解释法,路径跟踪解释法，通过跟踪并重新显示系统问题求解过程的推理路径和知识使用情况来解释相关的用户提问。此方法从系统的运行角度用运行轨迹来解释系统的动作。,5.3.3,自动程序员解释法,自动程序员指生成专家系统的工具。自动程序员解释法由,W.R.,Swartout,提出，其基本思想时利用自动程序员建立专家系统。在专家系统的构造过程中，自动程序员从最一般的抽象目标经过逐步求精产生专家系统的执行程序，同时保留推理轨迹和相关的信息。解释系统可以利用这些信息解释系统动作的合理性。自动程序员方法构造的专家系统，保留的推理轨迹时一种深层知识，在解释时有其独特的特点。,5.3.4,策略解释法,策略解释法向用户解释的是与问题求解策略有关的规划和方法，从策略的抽象表示及其使用过程产生关于问题求解的解释。它本质上是基于元规则的一种路径跟踪法。,5.4 专家系统开发工具与环境,专家系统开发工具与环境是一种为高效快速开发专家系统而设计和实现的智能计算机软件系统。专家系统开发工具按功能分主要有两类：生成工具和辅助工具。,生成工具主要帮助知识工程师构造专家系统中的推理机和知识库，按照其本身的特点可分为：程序设计语言、骨架系统、知识工程语言和其他专家系统开发工具。,辅助工具主要是与知识获取、知识库管理及维护等有关的工具。,专家系统开发工具与环境,生成工具,辅助工具,通用编程语言(,C/C+/PASCAL),AI,程序设计语言(,LISP/PROLOG),骨架系统(,EMYCIN/EXPERT/KAS),通用知识工程语言(,OPS/POSIE),其他专家系统开发环境,知识获取工具(,TEIRESIAS/TIMM),设计辅助工具(,AGE),建造辅助工具(,ROGET/SEEK),人机接口(,PLUME),其他辅助工具,5.5 专家系统开发方法,专家系统的构造和开发过程称为知识工程。,5.5.1 专家系统开发步骤,（1）问题调研,（2）概念设计,（3）结构功能设计,（4）系统实现,（5）测试维护,专家系统的构造和开发过程称为知识工程。,5.5.2 专家系统开发方法,专家系统的开发过程是瀑布模型、增量式开发方法和快速原型方法三者的有机结合。,