【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(jié)構(gòu)及工作原理 產(chǎn)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(yīng)用 一、專家系統(tǒng)的概念 ? 迄今為止，關(guān)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(guān)領(lǐng)域內(nèi)大量的專家知識； （ 3） 它能應(yīng)用人工智能技術(shù)模擬人類專家求解問題的思維過程進行推理，解決相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的困難問題，并且達到領(lǐng)域?qū)＜业乃健? ? 專家系統(tǒng) ——就是一種在相關(guān)領(lǐng)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(lǐng)域?qū)＜叶嗄攴e累的經(jīng)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(shù)據(jù)級、知識庫級和控制級。 ? 數(shù)據(jù)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(chǎn)生的中間結(jié)論、最終結(jié)論等。如，病人的癥狀、化驗結(jié)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(jīng)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(lǐng)域的，求解的問題僅僅局限于一個較窄的范圍內(nèi)。 2. 能進行有效的推理 ? 專家系統(tǒng)的根本任務(wù)是求解領(lǐng)域內(nèi)的現(xiàn)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(yīng)的推理機構(gòu)，能根據(jù)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(xiàn)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(jù)問題領(lǐng)域的特點，分別進行設(shè)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(yīng)用較多的是建立知識編輯器，知識工程師或領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^知識編輯器把領(lǐng)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(jié)出新的知識。 ? 知識獲取工具 ——搜索工具、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。 4. 具有靈活性 ? 在大多數(shù)專家系統(tǒng)中，其體系結(jié)構(gòu)都采用了知識庫與推理機相分離的構(gòu)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(jù)具體問題要求分別選取合適的知識構(gòu)成不同的求解序列，實現(xiàn)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(shù)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(jù)領(lǐng)域問題的實際需求開發(fā)的，這決定了它具有堅實的應(yīng)用背景，已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。 8. 具有一定的復(fù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及作用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的確定型算法的表述，即 常規(guī)程序 =數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) +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(lǐng)域內(nèi)推導(dǎo)出滿意的解答，即 專家系統(tǒng) =知識 +推理 ? （ 2） 常規(guī)程序把關(guān)于問題求解的知識隱含于程序中，而專家系統(tǒng)則把應(yīng)用領(lǐng)域中關(guān)于問題求解的知識單獨組成一個知識庫。常規(guī)程序?qū)⑵渲R組織為兩極，即數(shù)據(jù)級和程序級，而專家系統(tǒng)將其知識組織成三級，即數(shù)據(jù)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(shù)值計算和數(shù)據(jù)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(shè)，本質(zhì)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(shù)據(jù)多是精確的；而專家系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)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(shè)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(gòu)，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(jié)構(gòu)。 四、專家系統(tǒng)的應(yīng)用 (1)翻譯系統(tǒng) ：對觀測到的數(shù)據(jù) ,用已設(shè)定的含義來解釋它 ， 如語言翻譯 、 語言理解 、 圖像分析 、 化學結(jié)構(gòu)說明 、 信號翻譯等 。 (2)預(yù)測系統(tǒng) ：對未來情況推出可能的結(jié)果 ,如天氣預(yù)報 、 人口預(yù)測 、 交通預(yù)測 、 軍事 預(yù)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(shè)計系統(tǒng) ：設(shè)計滿足目標要求的方案 ,即根據(jù)目標及各子目標間的相互關(guān)系構(gòu)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(shè)計、建筑設(shè)計以及預(yù)算的編制。 (5)規(guī)劃系統(tǒng) ：設(shè)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(shè)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(diào)試系統(tǒng) ：指出故障的補救方法 。 它依靠規(guī)劃設(shè)計和預(yù)測的能力來產(chǎn)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(diào)試 、 規(guī)劃和執(zhí)行的能力 。 如：汽車設(shè)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(fù)解釋當前情況 ,預(yù)測未來 ,診斷問題的產(chǎn)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(yīng)用在航空控制 、 商務(wù)管理 、 戰(zhàn)場指揮等方面 。 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 一、基本結(jié)構(gòu) 二、工作原理 一、基本結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu) 核心 二、工作原理 1. 知識庫 ? 知識庫是知識的存儲機構(gòu)，用于存儲領(lǐng)域內(nèi)的原理性知識、專家的經(jīng)驗性知識以及有關(guān)的事實等。知識庫中的知識來源于知識獲取機構(gòu)，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(chǎn)生式規(guī)則形式表示，規(guī)則形式如：前提 → 結(jié)論 ? 或 IF 條件 l AND 條件 2 … AND 條件 N THEN 動作或結(jié)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(shù)百條關(guān)于計算機故障診斷的產(chǎn)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(nèi)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(guān)故障 ? 為了表達專家知識的復(fù)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)： ? 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(wù) , 一是 推理 （知識的運用） , 即從知識庫中已有的知識中推導(dǎo)出所需要的結(jié)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(gòu)造一般與知識的表示方式和組織方式有關(guān) ，但與知識的內(nèi)容無關(guān)，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，采取：啟發(fā)性知識，啟發(fā)式搜索。 3. 解釋機制 ? 能夠?qū)ο到y(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(xiàn)知識庫和推理機中的錯誤，有利于對系統(tǒng)的調(diào)試及維護。 ? 解釋機構(gòu)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(jù)問題的要求分別做相應(yīng)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(chǔ) ,是專家系統(tǒng)開發(fā)中最關(guān)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(lǐng)域?qū)＜遗c知識工程師交流，提供領(lǐng)域的知識，知識工程師將領(lǐng)域知識概念化、形式化、編碼、測試，并將結(jié)果與領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗比較，經(jīng)這樣多次反復(fù)逐步完善知識庫。 領(lǐng)域?qū)＜? 知識工程師 知識庫 (2)交互式學習 。 領(lǐng)域?qū)＜依毛@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(lǐng)域?qū)＜? 知識工程師 知識庫 ? (3)自動知識獲取 。 ? 計算機在領(lǐng)域?qū)＜液椭R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(shù)據(jù)、問題求解的實例、文本、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和 Web