【正文】 第五章 專家系統(tǒng)與智能決策 支持系統(tǒng) 專家系統(tǒng) 智能決策支持系統(tǒng) 專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)簡介 專家系統(tǒng)的基本結構及工作原理 產生式規(guī)則專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)示例 專家系統(tǒng)簡介 ? 一、專家系統(tǒng)的概念 ? 二、專家系統(tǒng)的基本特征 ? 三、專家系統(tǒng)與常規(guī)計算機程序的區(qū)別 ? 四、專家系統(tǒng)的應用 一、專家系統(tǒng)的概念 ? 迄今為止，關于專家系統(tǒng)還沒有一個公認的嚴格定義，一般認為： （ 1） 它是一個智能程序系統(tǒng)； （ 2） 它具有相關領域內大量的專家知識； （ 3） 它能應用人工智能技術模擬人類專家求解問題的思維過程進行推理，解決相關領域內的困難問題，并且達到領域專家的水平。 ? 專家系統(tǒng) ——就是一種在相關領域中具有專家水平解題能力的智能程序系統(tǒng)，它能運用領域專家多年積累的經驗與專門知識，模擬人類專家的思維過程，求解需要專家才能解決的困難問題。 二、專家系統(tǒng)的基本特征 1. 具有專家水平的專門知識 ? 一般來說，專家系統(tǒng)中的知識可分為三個層次，即 數據級、知識庫級和控制級。 ? 數據級知識 是指具體問題所提供的初始事實以及問題求解過程中所產生的中間結論、最終結論等。如，病人的癥狀、化驗結果以及由專家系統(tǒng)推出的病因、治療方案等。 ? 知識庫級知識 是指專家的知識，例如醫(yī)學常識、醫(yī)生診治疾病的經驗等。 ? 控制級知識 是用于控制系統(tǒng)的運行過程及推理的知識。如，搜索策略、推理方法等。 ? 任何一個專家系統(tǒng)都是面向一個具體領域的，求解的問題僅僅局限于一個較窄的范圍內。 2. 能進行有效的推理 ? 專家系統(tǒng)的根本任務是求解領域內的現實問題。問題的求解過程是一個思維過程，即推理過程。專家系統(tǒng)必須具有相應的推理機構，能根據用戶提供的已知事實，通過運用掌握的知識，進行有效的推理，以實現對問題的求解。 ? 專家系統(tǒng)的推理機制多種，有：精確推理、不確定性推理、不完全推理和試探性推理等。需根據問題領域的特點，分別進行設計。 3. 具有獲取知識的能力 ? 目前專家系統(tǒng)在知識獲取方面的能力還較弱，當前應用較多的是建立知識編輯器，知識工程師或領域專家通過知識編輯器把領域知識“傳授”給專家系統(tǒng)，建立知識庫。一些高級專家系統(tǒng)目前正在建立一些自動獲取工具，使系統(tǒng)自身具有學習能力，能從系統(tǒng)運行的實踐中不斷總結出新的知識。 ? 知識獲取工具 ——搜索工具、數據挖掘技術。 4. 具有靈活性 ? 在大多數專家系統(tǒng)中，其體系結構都采用了知識庫與推理機相分離的構造原則，彼此既有聯(lián)系，又相互獨立。 ? 好處是： ① 在系統(tǒng)運行時能根據具體問題要求分別選取合適的知識構成不同的求解序列，實現對問題的求解。 ② 一方進行修改時不致影響到另一方。 ③ 便于把一個技術上成熟的專家系統(tǒng)變?yōu)橐粋€專家系統(tǒng)工具。 5. 具有透明性 ? 一個計算機程序系統(tǒng)的透明性是指，系統(tǒng)自身及其行為能被用戶所理解。專家系統(tǒng)具有較好的透明性，是因為它具有解釋功能。 6. 具有交互性 專家系統(tǒng)一般都是交互式系統(tǒng)。 7. 具有實用性 ? 專家系統(tǒng)是根據領域問題的實際需求開發(fā)的，這決定了它具有堅實的應用背景，已廣泛應用于多個領域。 8. 具有一定的復雜性和難度 多種需要解決的困難問題，如不確定性知識的表示、不確定性的傳遞算法、匹配算法等等。 三、專家系統(tǒng)與常規(guī)計算機程序的區(qū)別 （ 1）常規(guī)的計算機程序是對數據結構以及作用于數據結構的確定型算法的表述，即 常規(guī)程序 =數據結構 +算法 ? 而專家系統(tǒng)是通過運用知識進行推理，力求在問題領域內推導出滿意的解答，即 專家系統(tǒng) =知識 +推理 ? （ 2） 常規(guī)程序把關于問題求解的知識隱含于程序中，而專家系統(tǒng)則把應用領域中關于問題求解的知識單獨組成一個知識庫。常規(guī)程序將其知識組織為兩極，即數據級和程序級，而專家系統(tǒng)將其知識組織成三級，即數據級、知識庫級和控制級。 ? （ 3）常規(guī)程序一般是通過查找或計算來求取問題的答案，基本上是面向數值計算和數據處理的，而且在問題求解過程中先后順序都是由程序規(guī)定的；而專家系統(tǒng)是通過推理來求取問題的答案或證明某個假設，本質上是面向符號處理的，其推理過程隨著情況的變化而變化，具有不確定性和靈活性。 ? （ 4）常規(guī)程序處理的數據多是精確的；而專家系統(tǒng)處理的數據及知識大多是不精確的、模糊的，知識的模式匹配也多是不精確的，需要為其設定閾值。 ? （ 5） 常規(guī)程序一般不具有解釋功能，而專家系統(tǒng)一般具有解釋機構，可對自己的行為作出解釋。 ? （ 6） 常規(guī)程序與專家系統(tǒng)具有不同的體系結構。 四、專家系統(tǒng)的應用 (1)翻譯系統(tǒng) ：對觀測到的數據 ,用已設定的含義來解釋它 ， 如語言翻譯 、 語言理解 、 圖像分析 、 化學結構說明 、 信號翻譯等 。 (2)預測系統(tǒng) ：對未來情況推出可能的結果 ,如天氣預報 、 人口預測 、 交通預測 、 軍事 預報等 。 (3)診斷系統(tǒng) ：從可觀測事物中推出系統(tǒng)的故障 ,即從所觀測的不正常行為找出潛 在的原因 ,如醫(yī)學 、電子學 、 機械 、 軟件診斷等 。 (4)設計系統(tǒng) ：設計滿足目標要求的方案 ,即根據目標及各子目標間的相互關系構成 方案 ,并證明這些方案和提出的目標要求相一致 ,如電路設計、建筑設計以及預算的編制。 (5)規(guī)劃系統(tǒng) ：設計行為動作 ,即利用對象的行為特征模型來推論對象的行為動作 ,如自動程序設計 、機器人 、 計劃 、 通訊 、 軍事等規(guī)劃問題 。 (6)監(jiān)控系統(tǒng) ：對系統(tǒng)行為的觀測指出規(guī)劃行為中不足之處 ,如計算機輔助監(jiān)控系 統(tǒng)用于原子能工廠 、 航空 、 治病 、 煤礦安全等 。 (7) 調試系統(tǒng) ：指出故障的補救方法 。 它依靠規(guī)劃設計和預測的能力來產生正確處 理某個診斷問題的提示或推薦方案 。 (8)維修系統(tǒng) ：執(zhí)行一個規(guī)劃來完成某一個診斷問題的治療方法 。 這類系統(tǒng)綜合了 調試 、 規(guī)劃和執(zhí)行的能力 。 如：汽車設備維修 ES 。 (9)控制系統(tǒng) ： 一個專家控制系統(tǒng)能自動控制系統(tǒng)的全部行為 。 它反復解釋當前情況 ,預測未來 ,診斷問題的產生原因 ,做出處理的計劃以及監(jiān)督系統(tǒng)運行 ,并保證正常的操作 。 控制系統(tǒng)已應用在航空控制 、 商務管理 、 戰(zhàn)場指揮等方面 。 專家系統(tǒng)的基本結構及工作原理 一、基本結構 二、工作原理 一、基本結構 人 機 接 口 知識獲取機制 知識庫 推理機制 解釋機制 動態(tài)存儲器 專家系統(tǒng)基本體系結構 核心 二、工作原理 1. 知識庫 ? 知識庫是知識的存儲機構，用于存儲領域內的原理性知識、專家的經驗性知識以及有關的事實等。知識庫中的知識來源于知識獲取機構，同時它又為推理機制提供求解問題所需的知識。 ? 知識庫中的知識以產生式規(guī)則形式表示，規(guī)則形式如：前提 → 結論 ? 或 IF 條件 l AND 條件 2 … AND 條件 N THEN 動作或結論 ? 例如 , 某計算機故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫中存儲了數百條關于計算機故障診斷的產生式規(guī) 則 , 其中的一條規(guī)則為： ? RULE1： IF 外部電源插座電壓正常 AND 計算機內電源輸入電壓為零 AND 電源插座電壓正常 AND 電源插座到計算機的電源線完好 THEN 計算機的電源開關故障 ? 為了表達專家知識的復雜概念 ,知識庫中的規(guī)則分級存儲 ,整個知識庫形成一個樹形結構，其中的 規(guī)則也可嵌套 ,例如 ,在某動物識別專家系統(tǒng)中有如下三條規(guī)則形成了一個嵌套結構： ? RULE1： IF 動物有奶 THEN 該動物是哺乳動物 ? RULE2： IF 動物吃肉 THEN 該動物是食肉動物 ? RULE3： IF 動物是哺乳動物 AND 動物是食肉動物 AND 動物是黃褐色 AND 動物身上有黑條紋 THEN 該動物是老虎 2. 推理機制 ? 推理機制主要有兩個任務 , 一是 推理 （知識的運用） , 即從知識庫中已有的知識中推導出所需要的結論和知識；二是 控制搜索過程 （知識的選擇） , 即確定知識庫中規(guī)則的掃描順序 ,決定在每個控制信息下要觸發(fā)的規(guī)則。 ? 推理機的性能與構造一般與知識的表示方式和組織方式有關 ，但與知識的內容無關，這有利于保證推理機與知識庫的相對獨立性。 ? 為提高系統(tǒng)的運行效率，采?。簡l(fā)性知識，啟發(fā)式搜索。 3. 解釋機制 ? 能夠對系統(tǒng)的行為作出解釋，是專家系統(tǒng)區(qū)別于一般程序的重要特征之一，也是它取信于用戶的一個重要措施。另外，通過對自身行為的解釋還可幫助系統(tǒng)建造者發(fā)現知識庫和推理機中的錯誤，有利于對系統(tǒng)的調試及維護。 ? 解釋機構由一組程序組成，它能跟蹤并記錄推理過程，當用戶提出詢問需要給出解釋時，它將根據問題的要求分別做相應的處理，最后把解答用約定的形式通過人機接口輸出給用戶。 4. 知識獲取機制 （一）知識獲取的方式 ? 知識獲取是建立知識庫的重要基礎 ,是專家系統(tǒng)開發(fā)中最關鍵也最艱難的一步 , 被稱為專家系統(tǒng)開發(fā)的 “ 瓶頸 ” 。專家系統(tǒng)的下一步是開發(fā)更好的知識獲取工具。當前 ,知識獲取有三種主要形式。 (l) 人工獲取 。 領域專家與知識工程師交流，提供領域的知識，知識工程師將領域知識概念化、形式化、編碼、測試，并將結果與領域專家的經驗比較，經這樣多次反復逐步完善知識庫。 領域專家 知識工程師 知識庫 (2)交互式學習 。 領域專家利用獲取工具，在知識工程師的協(xié)作下，直接與計算機交互學習。 領域專家 知識工程師 知識庫 ? (3)自動知識獲取 。 ? 計算機在領域專家和知識工程師的配合下，直接從樣本中獲取知識，其中樣本包括實驗數據、問題求解的實例、文本、數據庫數據和 Web