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1、第12章 专家系统第12章专家系统n专家系统的概念n专家系统的结构n专家系统实例n专家系统设计与实现n专家系统开发工具与环境n新一代专家系统研究专家系统概念n什么是专家系统n专家系统的特点n专家系统的类型n专家系统与知识系统n专家系统与知识工程n专家系统与人工智能什么是专家系统n专家的特点n拥有丰富的专业知识和实践经验；n具有独特的思维方式。n专家系统的要素n应用于某专门领域；n拥有专家级知识；n能模拟专家思维；n达到专家级水平。专家系统的特点（一）(1)从处理的问题性质看，专家系统善于解决那些不确定性的、非结构化的、没有算法解或虽有算法解但在现有的机器上无法实施的困难问题。(2)从处理问题的
2、方法看，专家系统则是靠知识和推理来解决问题（不像传统软件系统使用固定的算法来解决问题），所以，专家系统是基于知识的智能问题求解系统。专家系统的特点（二）(3)从系统的结构来看，专家系统则强调知识与推理的分离，因而系统具有很好的灵活性和可扩充性。(4)专家系统一般还具有解释功能，即在运行过程中一方面能回答用户提出的问题，另一方面还能对最后的输出（结论）或处理问题的过程作出解释。专家系统的特点（三）(5)有些专家系统还具有“自学习”能力，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。(6)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，它可始终如一地以专家级的高水
3、平求解问题。专家系统的类型（1）按用途来分（诊断型、解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控制型、调度型）（2）按输入结果分类（分析型、设计型）（3）按知识表示分类（4）按知识分类（确定性知识、不确定性知识）（5）按技术分类（符号推理、神经网络）（6）按规模分类（大型协同、微专家）（7）按结构分类（集中、分布、单机、网络）专家系统与知识系统狭义上：专家系统是人类专家的化身；广义上：专家系统泛指各类知识系统。专家系统与知识系统n专家系统促使了知识工程的诞生和发展，知识工程又是位专家系统服务的。专家系统与人工智能n专家系统是人工智能的一个分支，而且是应用性最强，应用最广泛的一个重要分支。第12章
4、专家系统n专家系统的概念n专家系统的结构n专家系统实例n专家系统设计与实现n专家系统开发工具与环境n新一代专家系统研究专家系统的结构n概念结构n实际结构n网络与分布式结构n黑板模型概念结构知识库是以某种知识库是以某种表示形式存储于表示形式存储于计算机中的知识计算机中的知识的集合。包括专的集合。包括专家知识、领域知家知识、领域知识和元知识。识和元知识。实现推理的程序实现推理的程序。使用知识库中。使用知识库中的知识进行推理的知识进行推理而解决问题的，而解决问题的，是专家的思维机是专家的思维机制。制。全局数据库，存放全局数据库，存放初始证据事实、推初始证据事实、推理结果和控制信息理结果和控制信息的场
5、所。的场所。用户通过界面向系用户通过界面向系统提出或回答问题，统提出或回答问题，向系统提供原始数向系统提供原始数据和事实。系统通据和事实。系统通过界面向用户提出过界面向用户提出回答结果。回答结果。推理过程中，回答推理过程中，回答why之类的问题；之类的问题；推理结束后，回答推理结束后，回答how之类问题。之类问题。管理知识库的建立管理知识库的建立删除重组，知识的删除重组，知识的获取、知识的检查获取、知识的检查实际结构（1）实际问题错综复杂，可能需要多次推理，所以知识库是多层的或多块的。（2）实际问题往往不仅需要推理，而且还需要做一些处理，所以增加处理模块。实际结构图84 地质图件绘制智能辅助系
6、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接口网络与分布式结构黑板模型（一）黑板是分黑板是分层的全局层的全局工作区，工作区，用来存储用来存储初始数据、初始数据、中间结果中间结果和最终结和最终结果。果。知识源就知识源就是知识模是知识模块。一个块。一个知识源可知识源可视为一个视为一个规则，包规则，包括先决条括先决条件和知识件和知识源题。源题。求解问题求解问题的推理机的推理机构，选择构，选择合适的知合适的知识源。识源。黑板模型（二）在HEARSAY中，黑板被分为六个信息层，每个信息层对应着问
7、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信息构成的音节信息。黑板模型（三）(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12章专家系统n专家系统的概念n专家系统的结构n专家系统实例n专家系统设计与实现n专家系统开发工具与环境n新一代专家系统研
8、究专家系统实例nPROSPECTOR的功能与结构n知识表示n主观贝叶斯推理模型n控制策略n解释系统PROSPECTOR的功能与结构（一）PROSPECTOR主要为地质勘探人员提供如下帮助：（1）勘探评价；（2）区域资源评价；（3）井位选择。PROSPECTOR的功能与结构（二）作为人机接口负责接作为人机接口负责接受用户输入的命令，受用户输入的命令，并解释命令。并解释命令。负责理解用户负责理解用户用自然语言输用自然语言输入的信息，并入的信息，并将其转化成匹将其转化成匹配程序可以使配程序可以使用的语义网络用的语义网络形式。形式。进行概率传播，实现进行概率传播，实现系统的似然推理。系统的似然推理。负
9、责向用户提负责向用户提问，要求用户问，要求用户输入数据。输入数据。用于解答用户询问。用于解答用户询问。为在井位选择推为在井位选择推理网络中传播图理网络中传播图形信息，生成高形信息，生成高效代码。效代码。使用分类学词典来使用分类学词典来比较各个语义空间比较各个语义空间的关系，并把用户的关系，并把用户提供的信息加入推提供的信息加入推理网络中，或检查理网络中，或检查推理网络的一致性。推理网络的一致性。运行时可生成、运行时可生成、修改或保存推修改或保存推理网络。理网络。知识表示（一）知识库有三级网络组成：（1）分类学网络，来描述概念；（2）分块语义网络，陈述；（3）推理网络，描述推理规则。知识表示（二
10、）图中的四种弧线表示图中的四种弧线表示:N1 N2：表示：表示N2是是N1的子集。的子集。N1 N2：表示：表示N2是是N1的元素，的元素，和其他用和其他用ds的子集不相交。的子集不相交。N1 N2：表示：表示N2是是N1的子集。的子集。N1 N2：表示：表示N2是是N1的元素，的元素，和其他用和其他用de的元素不相交。的元素不相交。Sdsede知识表示（三）知识表示（四）n每一个陈述都可以分解为若干个简单断言。所谓简单断言指仅包含一个关系及其各参量的断言。图89可分解为七个简单断言的集合：1：存在一个实体E1 2：E1的成分是角闪石 3：存在一个实体E2 4：E2的成分是黑云母 5：存在一个
11、过程P1知识表示（五）3.推理网络 在PROSPECTOR中，判断性知识用规则表示。每条规则的形式如下：EH(LS，LN)推理网络中每条规则的LS、LN及每个语义空间H的P(H)均由领域专家在建造知识库时提供。除了表示规则的弧外，推理网络中还有代表先后顺序的弧(用虚线表示，见图8-10)，其意义如下：知识表示（六）：只有当P(E 1|S)P(E 1)时，才考虑E2 ；只有P(E 1|S)P(E 1)时，才考虑E2 ：只有P(E 1|S)P(E 1)时，才考虑E2 ：E2:仅指明考虑E2之前先考虑E 10,512EE 5,512EE 5,012EE 2,212EE 图8-108-11 知识库中三
12、种网络的关系 控制策略（一）n正向推理n主动式推理n反向推理控制策略（二）1.正向推理 PROSPECTOR的正向推理实际上就是概率传播，它由传播程序完成。每当用户输入一个证据E及其后验概率P(E|S)，传播程序就利用主观Bayesian方法，将P(E|S)的影响沿推理网络传播，修改更高层次上语义空间的后验概率，直至将P(E|S)的影响传至顶层空间。传播程序传播后验概率的方法如前所述。控制策略（三）2.主动式推理 咨询开始时，用户可根据自己的观察为系统提供信息。PROSPECTOR在这方面为用户提供了很大的灵活性，用户不仅可以输入有关可问空间的信息，还可以输入关于推理网络任意层次上的假设空间的
13、信息。这种方法有利于充分发挥用户的作用，加快推理速度。控制策略（四）3.反向推理 当正向推理（概率传播）结束后，如果系统已能确定存在某种矿藏，则输出结果;否则进入反向推理过程。反向推理由提问系统负责，它为断定某种矿藏的成矿可能性寻求有关的数据。因此反向推理实际上要完成两个任务：(1)应优先考虑哪个顶层假设，这主要根据评判函数Jh来选择;(2)应向用户询问哪个空间，这主要根据评判函数J*来选择。解释系统 PROSPECTOR的解释系统可以为用户提供几种不同类型的解释。最简单的一种是允许系统在咨询的任何时刻检查推理网络中某个语义空间的后验概率。其次解释系统可以向用户显示推断某一结论所使用的规则。用
14、户还可以检查某一数据对推理网络中任一特定空间概率的影响。第12章专家系统n专家系统的概念n专家系统的结构n专家系统实例n专家系统设计与实现n专家系统开发工具与环境n新一代专家系统研究 专家系统设计与实现 12.5.1 一般步骤与方法 由于专家系统也是一种计算机应用系统，所以，一般说来，其开发过程也要遵循软件工程的步骤和原则，即也要进行系统分析、系统设计等几个阶段的工作。但又由于它是专家系统，而不是一般的软件系统，所以，又有其独特的地方。如果我们仅就“纯专家系统”而言，则其设计与实现的一般步骤可如图813所示。图813 建立专家系统的一般步骤 由图813可以看出，专家系统的开发有如下特点：(1)
15、知识获取与知识表示设计是一切工作的起点；(2)知识表示以及知识描述语言确定后，各项设计（图中并列的六个设计）可同时进行。还需说明的是：(1)对于一个实际的专家系统，在系统分析阶段就应该首先弄清楚：系统中哪里需要专家知识，专家知识的作用是什么？以及系统中各专家模块的输入是什么？处理是什么？输出又是什么？一般步骤与方法 (2)系统投入运行后，一般来说，其知识库还需不断扩充、更新、完善和优化。所以专家系统的开发更适合采用快速原型法。(3)对系统的评价主要看它解决问题是否达到专家水平。(4)上述的所谓“纯专家系统”就是一个实际专家系统中的专家模块部分。那么，对于系统其他部分的分析与设计，原则上讲，与一
16、般计算机应用系统完全一样，即可按软件工程规范和程序进行。一般步骤与方法 所谓快速原型与增量式开发，就是在开发一个大型软件系统之前，先尽快地建立一个简单的小型的系统“模型”称之为系统原型；然后，对原型进行扩充，即在原型的基础上进行地继续开发，即增量式开发，这样像滚雪球似地直至完成整个系统。快速原型法的优点是，利用系统原型，开发者可以更好地分析和理解系统；用户也能尽快地看到系统的概貌，以便及早地反馈有关信息，使后面的工作少走弯路；同时，也方便了开发者和用户的相互交流。快速原型与增量式开发快速原型与增量式开发 知识获取是建造专家系统的关键一步，也是较为困难的一步，被称为建造专家系统的“瓶颈”。知识获取大体有三种途径。1.人工获取 人工获取，即计算机人员（或知识工程师）与领域专家合作，对有关领域知识和专家知识，进行挖掘、搜集、分析、综合、整理、归纳，然后以某种表示形式存入知识库。12.5.3 知识获取 2.半自动获取 半自动获取，即利用某种专门的知识获取系统，采取提示、指导或问答的方式，帮助专家提取、归纳有关知识，并自动记入知识库。3.自动获取 自动获取又可分为两种形式：一种是系统本身具有一种
