第8章专家系统.ppt

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1、第第8章章 专家系统专家系统 第第8章章 专家系统专家系统 8.1 专家系统的概念专家系统的概念 8.2 专家系统的结构专家系统的结构8.3 专家系统的应用与发展概况专家系统的应用与发展概况8.4 专家系统实例专家系统实例8.5 专家系统设计与实现专家系统设计与实现8.6 专家系统开发工具与环境专家系统开发工具与环境8.7 新一代专家系统研究新一代专家系统研究第第8章章 专家系统专家系统 8.1 专家系统的概念专家系统的概念 8.1.1 什么是专家系统(Expert System)1965年第一个专家系统DENDRAL问世;20世纪80年代中期以后，随着知识工程技术日渐成熟，各种各样的实用专家

2、系统不断涌现。什么是专家系统？专家系统（Expert System,亦称专家咨询系统)是一种智能计算机(软件)系统，具有特定领域专家解决困难、复杂的实际问题能力。第第8章章 专家系统专家系统 专家：在某一专门领域，他（她）解决问题时具有超凡的能力和水平。专家之所以具有超凡的能力和水平，是因为：(1)专家拥有丰富的专业知识和经验，特别是经验知识；(2)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。专家系统应该具备以下四个要素：(1)应用于某专门领域；(2)拥有专家级知识；(3)能模拟专家的思维；(4)能达到专家级水平。所以，专家系统就应该是：应用于某一专门领域，拥有该领域相当数

3、量的专家级知识，能模拟专家的思维，能达到专家级水平，能像专家一样解决困难和复杂的实际问题的计算机(软件)系统。第第8章章 专家系统专家系统 8.1.2 专家系统的特点 专家系统具有下列特点：(1)处理问题的性质：善于解决不确定、非结构化、没有算法解或虽有算法解但在现有机器上无法实施的困难问题。(2)处理问题方法：靠知识和推理来解决问题（传统软件使用固定算法求解）基于知识的智能问题求解系统。(3)系统结构：强调知识与推理的分离，系统具有很好的灵活性和可扩充性。(4)具有解释功能：在运行中能回答用户提出的问题，同时还能对输出（结论）或处理问题的过程作出解释。(5)具有“自学习”能力：即不断对已有知

4、识进行扩充、完善和提炼。这一点是传统系统所无法比拟的。(6)专家系统它始终如一地以专家级水平求解问题（人类专家可能疲劳、遗忘，易受环境、情绪等影响）第第8章章 专家系统专家系统 8.1.3 专家系统的类型 专家系统分类目前无定论。通常可以从不同侧面分类：。1.按用途分类 诊断型、解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型等几种类型。2.按输出结果分类：分析型和设计型。3.按知识表示分类 知识表示形式：产生式规则、一阶谓词逻辑、框架、语义网等。4.按知识分类 知识可分为确定性知识和不确定性知识，所以，专家系统又可分为精确推理型和不精确推理型。5.按技术分类 符号推理专家系统和神经网络

5、专家系统。6.按规模分类：大型协同式专家系统和微专家系统。7.按结构分类：集中式和分布式，单机型和网络型(即网上专家系统)第第8章章 专家系统专家系统 8.1.4 专家系统与知识系统 我们知道，专家系统能有效地解决问题的主要原因在于它拥有知识，因为“知识就是力量”。但专家系统拥有的知识是专家知识，而且主要是经验性知识。近年来，由专家系统的出现和发展而发展起来的一种称为知识系统（Knowledge Based System)的智能系统，其中的知识已不限于人类专家的经验知识，而可以是领域知识或通过机器学习所获得的知识等。所以，对于这种广义的知识系统来说，专家系统就是一种特殊的知识系统。第第8章章

6、专家系统专家系统 8.1.5 专家系统与知识工程 专家系统是基于知识的系统，建造专家系统就涉及到：知识获取（Knowledge Acquisition），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。知识表示（Knowledge Representation），即以某种结构形式表达所获取的知识，并将其存储于计算机之中知识的组织与管理(即知识库，Knowledge Base)：建立与维护等)知识利用(即使用知识进行推理)一系列关于知识处理的技术和方法。关于知识处理的技术和方法已形成一个称为“知识工程”（Knowledge Engineering）的学科领域。专家系统促使了知识工程的

7、诞生和发展，知识工程又是为专家系统服务的。所以，现在的“专家系统”与“知识工程”几乎已成为同义语。第第8章章 专家系统专家系统 8.1.6 专家系统与人工智能;专家系统是智能计算机系统。从学科范畴讲，专家系统属人工智能的一个分支，而且是应用性最强、应用范围最广的一个重要分支。所以，现在“专家系统”这一名词既是系统名称又是一个学科名称。专家系统已是当前计算机应用的一个热门研究方向。第第8章章 专家系统专家系统 8.2 专家系统的结构专家系统的结构 专家系统是一种计算机应用系统。由于应用领域和实际问题的多样性，所以，专家系统的结构也就多种多样。但抽象地看，它们还是具有许多共同之处。概念结构 实际结

8、构 网络与分布式结构 黑板模型 第第8章章 专家系统专家系统 8.2.1 概念结构 从概念来讲，知识库和推理机是两个最基本的模块。1.知识库（Knowledge Base)以某种表示形式存储于计算机中的知识集合。知识库通常是以一个个文件的形式存放于外部介质上，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、领域知识和元知识。图81 专家系统的概念结构 人 机 界 面推 理 机解释模块动态数据库知识库知识库管理系统第第8章章 专家系统专家系统 2.推理机（Inference Engine）推理机就是实现机器推理的程序。这里的推理既包括通常的逻辑推理，也包括基于产生式的操作。3.动态数

9、据库 动态数据库（也称全局数据库、综合数据库、工作存储器、黑板等），是存放初始证据事实、推理结果和控制信息的场所，或者说它是上述各种数据构成的集合。4.人机界面：最终用户与专家系统的交互界面。5.解释模块 专门负责向用户解释专家系统的行为和结果。人 机 界 面推 理 机解释模块动态数据库知识库知识库管理系统6.知识库管理系统 知识库管理系统是知识库的支撑软件。其功能包括知识库的建立、删除、重组；知识的获取（如录入/编辑）、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等。第第8章章 专家系统专家系统 图82 专家系统的理想结构 人 机 界 面推 理 机解释模块动态数据库知

10、识库自学习模块知识库管理系统第第8章章 专家系统专家系统 8.2.2 实际结构 ES的概念模型强调知识和推理这一主要特征。ES与其他应用系统一样是解决实际问题的，而实际问题往往是错综复杂的，可能需要多次推理或多路推理或多层推理才能解决，而知识库也可能是多块或多层的。图83 专家系统的实际结构示例 总 控处理模块1处理模块n专家模块1专家模块m第第8章章 专家系统专家系统 图84 地质图件绘制智能辅助系统结构 多 媒 体 人 机 界 面方 法知识库参 数知识库动态数据库评 价知识库自学习模 块知 识 库 管 理 系统方法选择参数确定图件绘制图形评价IO接口第第8章章 专家系统专家系统 8.2.3

11、 网络与分布式结构 在网络环境下，专家系统也可以设计成网络结构，如Client/Server结构 或者Browser/Server)结构。分布式结构则是一种适合于分布式计算环境的专家系统。例如那些多学科、多专家联合作业，协同解题的大型专家系统。这类专家系统也就称为分布式专家系统。知识库推理机推理机知识库人机界面人机界面客户（机）Browser服务器 Web ServerInternet第第8章章 专家系统专家系统 8.2.4 黑板模型 “黑板模型”是一种典型而流行的专家系统结构模式。1.黑板 “黑板”，就是一个分层的全局工作区（或称全局数据库）。2.知识源 知识源:一个知识模块。3.控制机构

12、控制机构是求解问题的推理机构，由监督程序和调度程序组成。第第8章章 专家系统专家系统 图86 黑板结构 监督程序 调度程序层次n.层次2层次1知识源1知识源2.知识源m第第8章章 专家系统专家系统 黑板模型适于求解那些大型复杂且可分解为一系列层次化的子问题的问题。例如，在HEARSAY中，黑板被分为六个信息层，每个信息层对应着问题的一个中间表示层次。六个信息层分别为：(1)参数层：从语音信号中提取有意义的参数。有四种不同的参数，统称为ZAPDASH参数。(2)片段层：用于描述系统对语音信号的分割与归类。此层主要包含音素与单音等信息。(3)音节层：用于描述语音信号的音节划分。此层主要为由片段层上

13、信息构成的音节信息。(4)单词层：用于记录根据音节划分所识别出的孤立词信息。(5)词组层：用于记录根据单词层中的词汇所生成的词组信息。(6)短语层：用于记录多个词汇或词组构成的短语和句子信息。第第8章章 专家系统专家系统 8.3 专家系统的应用与发展概况专家系统的应用与发展概况 8.3.1 专家系统的意义 专家系统是一种智能计算机系统，所以，专家系统将计算机的应用提高到了一个新的高度和水平。专家系统的建立，实现了人类专家的“分身”和“延年”使专家们丰富而宝贵的知识和经验能不受时间和空间的限制，而得到最大限度地传播和应用，从而产生最大的社会效益和经济效益。另一方面，建造专家系统可以使专家本人得到

14、提高和发展。因为，建造和使用专家系统的过程，本身就是专家知识的一个不断积累、总结、补充、完善、升华、提高、发展的过程。另外，还可将多个专家的知识和经验综合在一起，构成多专家系统第第8章章 专家系统专家系统 8.3.2 专家系统的应用与发展 ES作为一种计算机应用系统，目前典型应用：医学诊断/地质勘探/物质结构分析/生物遗传研究/市场决策/生产管理.第一个专家系统叫DENDRAL，1965，斯坦福大学，费根鲍姆等 DENDRAL系统同时开发的，还有数学专家系统MACSYMA。它是一个大型的人机交互式系统。进入20世纪90年代，模糊技术、神经网络和面向对象等新技术迅速崛起，为专家系统注入了新的活力

15、。第第8章章 专家系统专家系统 8.4 专家系统实例专家系统实例 8.4.1 PROSPECTOR的功能与结构 PROSPECTOR的研究目的是：勘探矿产资源，扩大技术培训及集中多个专家的知识来解决给定的资源问题。PROSPECTOR系统给地质勘探人员提供下列几种帮助：(1)勘探评价。(2)区域资源评价。(3)井位选择。第第8章章 专家系统专家系统 图87是PROSPECTOR系统的总体结构图。系统的勘探知识以某种外部格式存储在磁盘中。同样，一个具有1000多个单词的分类学词典也存储在磁盘上。每一次咨询开始时，由一个叫做PARSEFILE的程序把这些外部表示转换成系统的内部表示形式推理网络。推

16、理网络就是系统赖以完成咨询的知识库。第第8章章 专家系统专家系统 图87 PROSPECTOR总体结构 第第8章章 专家系统专家系统 8.4.2 知识表示 PROSPECTOR系统的知识用语义网络和规则表示。知识库由三级网络组成，它们分别用来描述概念、陈述和推理规则。1.分类学网络 最低一级网络是分类学网络（见图88），它的作用有些类似于MYCIN中的词典，给出了系统所知道的1000多个词汇的用途及相互关系。第第8章章 专家系统专家系统 出了系统所知道的1000多个词汇的用途及相互关系。例如，由“关系”的节点为根的子树中所有词汇在描述知识时作为表示关系的词汇使用。除此之外，分类学网络还给出了概念之间的从属关系，它们由四种弧表示：:表示N2是N1的子集。例如，火成岩是岩石的一类。:表示N2是N1的元素。例如，FROMOF是一个具体的关系。12sNN 12eNN 第第8章章 专家系统专家系统 :既表示N2是N1的子集，说明N2与N1的其他用ds链接的子集是不相交的概念。例如，年代和形态是系统中的两类词汇，但这两类词汇中没有相同的词汇，即它们没有共同的后代。而硫化物和浊变物是相交的概念，它们