【正文】 述專家系統(tǒng)的核心是知識與推理，盡管影響制約專家系統(tǒng)性能的因素很多，但是真正對系統(tǒng)起決定性影響的因素是系統(tǒng)所具有的知識，包括知識的數(shù)量、質(zhì)量及組織管理。在專家系統(tǒng)開發(fā)過程中，知識獲取是難度最大、工作量最多、成本最高、開發(fā)時間長的工作。因此可以認為，知識獲取是專家系統(tǒng)乃至其它知識系統(tǒng)的一個“瓶頸”問題。知識獲取就是把用于求解專業(yè)領(lǐng)域問題的知識從含有這些知識的知識源中抽取出來，并轉(zhuǎn)換為一待定的計算機表示。知識源包括專家、教科書、數(shù)據(jù)庫及人本身的經(jīng)驗。根據(jù)專家系統(tǒng)的總體要求和知識獲取的定義，知識獲取的任務(wù)可歸結(jié)為：a) 對專家或書本等知識源的知識進行理解、認識、選擇、提取、匯集、分類和組織。b) 獲取以及更新新知識，從已有知識和實例中產(chǎn)生新知識，包括從外界學(xué)習(xí)新知識。c) 檢查和保證已獲取知識的一致性和完整性。d) 簡化獲取知識，盡量使知識的冗余度小。知識獲取的途徑可以分為兩種：a) 由知識工程師通過和領(lǐng)域?qū)＜医徽?，以及閱讀、分析各種資料得到關(guān)于領(lǐng)域的各種知識，然后再借助于知識編輯系統(tǒng)將知識輸入到機器中。b) 通過機器自我學(xué)習(xí)，機器從處理問題的過程中獲取知識、積累知識。知識的獲取又分為領(lǐng)域知識的獲取和元知識的獲取。領(lǐng)域知識的獲取范圍較小，只能由專家獲得。元知識的獲取范圍比較廣泛，不但可以從領(lǐng)域?qū)＜耀@得，而且可以由知識工程師獲得。160 / 37按照基于知識的系統(tǒng)本身在知識獲取中的作用來分類，知識獲取方法可分為主動型知識獲取和被動型知識獲取兩類。主動型知識獲取是系統(tǒng)根據(jù)領(lǐng)域?qū)＜医o出的數(shù)據(jù)、資料、案例分析等，利用諸如歸納程序之類的工具軟件直接自動獲取或產(chǎn)生知識并裝入知識庫中。被動型知識獲取則通過知識工程師并可采用知識編輯器之類的工具，把知識源具有的知識傳輸?shù)较到y(tǒng)的知識庫之中。按基于知識的系統(tǒng)獲取知識的工作方式分類，可分為非自動型知識獲取和自動型知識獲取兩種。按知識獲取的策略分類，可分為會談式，案例分析式，機械照搬式，教學(xué)式，演繹式，歸納式，類比式，猜想驗證式，反饋修正式，聯(lián)想式，條件反射式等。知識獲取的困難之處在于恰當(dāng)?shù)匕盐疹I(lǐng)域?qū)＜宜褂玫母拍?、關(guān)系以及問題求解方法。對于知識工程師而言，知識的獲取相當(dāng)于一門新學(xué)問的學(xué)習(xí)。因此，獲取專家的啟發(fā)性知識是十分困難的，其原因來自以下幾個方面。a) 人類專家通常陳述知識的方法與專家系統(tǒng)采用的知識表示方法不一致。專業(yè)領(lǐng)域有自己特定的語言，有的語言很難用日常的用語表達這些專業(yè)術(shù)語。b) 大部分情況下，專家處置問題是根據(jù)經(jīng)驗和直覺，很難采用數(shù)學(xué)理論或其它決定論的模型加以精確刻劃。專家的啟發(fā)性知識往往含有近似、不確定、不充分、不完全性，甚至產(chǎn)生矛盾。c) 有些啟發(fā)性知識表示的不可能性。領(lǐng)域?qū)＜覒{借多年總結(jié)和積累的實踐經(jīng)驗，采用獨特的方法和有效的手段去解決困難問題，但難以把這些經(jīng)驗和策略方法顯式地表達出來。 “知其然，不知其所以然”是知識工程師在知識獲取當(dāng)中經(jīng)常遇到的問題。 d) 專家為了解決領(lǐng)域問題必須懂得比領(lǐng)域的原理和事實多得多的東西，其中一部分是日常常識和日常推理，而在解決問題時是下意識用到，在表述過程中卻經(jīng)常忽略。e) 知識的正確性需要經(jīng)過反復(fù)測試和檢驗，為了分解與隔離出問題解答的錯誤，可能需要跟蹤包含數(shù)百個事實或幾十種推理。為了使觀察到的錯誤與它的真實原因聯(lián)系起來，必須弄清知識與推理機控制策略之間的相互作用。f) 源于多個信息通道的知識元之間存在沖突，由于表示和使用不當(dāng)，使得知識發(fā)生畸變。知識獲取是一個相當(dāng)大和具有相當(dāng)難度的工程，它可以分為五個階段：目標(biāo)形成階段、概念化階段、形式化階段、實現(xiàn)和測試階段、以及更正維護階段。（1）目標(biāo)形成階段目標(biāo)形成階段是知識獲取的開始，主要任務(wù)包括：開發(fā)人員的確定、任務(wù)的分配、問題的確定、資源的確定與分配、目標(biāo)的確定。這一階段至少要有一個知識工程師和一個專家參與。知識工程師與專家密切聯(lián)系配合，通過反復(fù)交談與討論確定要解決的問題。a) 專家系統(tǒng)能求解什么樣的問題？b) 如何定義或說明這些問題？c) 怎樣分解問題為子問題和子任務(wù)?d) 問題解的形式是什么?其中應(yīng)用了什么樣的概念？161 / 37e) 數(shù)據(jù)、信息、知識的概念和關(guān)系？f) 重要的專業(yè)術(shù)語及相互關(guān)系?g) 相關(guān)問題或環(huán)境是什么？h) 影響問題求解的條件?如何避免和消除影響？i) 解決問題需要達到的目標(biāo)是什么?j) 問題的求解需要什么？ 圖 67 知識獲取過程（2）概念化階段當(dāng)目標(biāo)卻定確定后，有關(guān)問題的關(guān)鍵概念和關(guān)系已經(jīng)初步形成。在概念化階段對這些概念以更直接明顯的方式進行描述和說明。這一階段主要任務(wù)：a) 尋找出可以利用的數(shù)據(jù)類型，b) 列出數(shù)據(jù)的來源，是直接給出的或是推導(dǎo)出來的，c) 尋找子任務(wù)和子問題，d) 采取何種策略，e) 領(lǐng)域中對象之間的關(guān)系，f) 確定出知識的層次結(jié)構(gòu)并標(biāo)出因果關(guān)系、集合包含、部分與整體等關(guān)系，g) 在問題求解中涉及那些過程?這些過程的約束條件是什么，h) 系統(tǒng)的信息流過程是什么，i) 能否把解答問題所需要的知識與驗證問題解答的知識區(qū)別和分離開來。知識的概念化階段是知識獲取的重要階段，這一階段需要消耗大量的時間以供知識工程師與專家進行反復(fù)磋商。經(jīng)過反復(fù)多次驗證與修改，把領(lǐng)域?qū)＜宜芯康膶ο蟆⒏拍罴捌湎嗷リP(guān)系說明清楚，并弄清信息的流向等。這一階段就是知識從知識源中抽取出來。（3）形式化階段另選擇合適的知識表示模式把概念化階段分離出來重要概念、子問題及信息流等形式更加正式地表示出來。明確問題求解過程的基本推理策略與方式，理解領(lǐng)域的數(shù)據(jù)性質(zhì)，包括識別確定目標(biāo)的特征確定知識的概念構(gòu)造與組織知識的結(jié)構(gòu)具體化與確定知識規(guī)則修改完善知識規(guī)則162 / 37數(shù)據(jù)的獲取方式、數(shù)據(jù)的精確程度、數(shù)據(jù)的一致性程度和數(shù)據(jù)完備性程度，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（4）實現(xiàn)測試階段把完成的形式化表示的知識，用系統(tǒng)可直接理解的表示形式或語言形式具體描述出來，定義具體的信息流和控制流，從而形成一個可執(zhí)行的程序，產(chǎn)生原型系統(tǒng)。產(chǎn)生原型系統(tǒng)之后，通過不同實例來測試系統(tǒng)知識庫和推理機的弱點。導(dǎo)致系統(tǒng)性能方面問題的主要因素有輸入輸出特征、推理規(guī)則、控制策略和測試實例。（5）更正維護階段知識在獲取過程中可能存在誤差，因此要通過修改來完善系統(tǒng)。修改的內(nèi)容包括概念的重新陳述，表示方法的重新設(shè)計，原型系統(tǒng)的簡化。原型的簡化常常循環(huán)反復(fù)地貫穿于規(guī)則及其控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)和測試階段，直至達到期望的運行結(jié)果。 知識獲取方法迄今為止，在開發(fā)實用專家系統(tǒng)時，還沒有一個通用而有效的知識獲取方法．一個具體專家系統(tǒng)知識獲取所花的時間和所遇到的困難取決于求解問題的復(fù)雜性和問題規(guī)模的大小。 交談法 交談是獲取專家使用的概念和術(shù)語最常用的方法。在水電領(lǐng)域，許多概念都是在長期實踐中形成的，通過深入交談，才有可能使知識工程師準確把握概念和術(shù)語。這種方式特別適合于概念化階段。交談由三部分組成：a) 專家對主要目標(biāo)進行解釋，闡明解決問題所需的數(shù)據(jù)，以及這些問題可以劃分為那些子問題。知識工程師從專家系統(tǒng)實現(xiàn)的角度向?qū)＜姨矫鲉栴}之間的結(jié)構(gòu)特性、數(shù)據(jù)來源、組織方式。b) 根據(jù)討論結(jié)果，形成問題表，順次對問題表的每個子問題和子過程的有關(guān)數(shù)據(jù)和求解方法加以詳細探討。c) 當(dāng)討論完畢問題表中的所有問題之后，知識工程師和專家一起對獲得的信息進行總結(jié)，并進行評估。采用這種方法要注意如下幾個問題：加強知識工程師與領(lǐng)域?qū)＜抑g的相互學(xué)習(xí)和知識滲透，專家應(yīng)掌握專家系統(tǒng)求解問題的基本原理和過程，并了解系統(tǒng)中知識的統(tǒng)一表示形式。這有利于專家將專業(yè)知識更好地組織為系統(tǒng)所需知識的形式。與此同時，知識工程師需要大量閱讀水電領(lǐng)域的有關(guān)文獻和資料，盡量理解水電領(lǐng)域知識，以減輕專家的負擔(dān)，真正達到知識工程師與專家的相互理解。每次會談都要有詳細記錄，并產(chǎn)生文本。對問題表的建立應(yīng)突出重要的概念、術(shù)語。 案例分析法這種方法主要針對領(lǐng)域?qū)＜乙话闵朴谡務(wù)摼唧w實例而不一定適合于談?wù)摮橄笮g(shù)語而提出來的。在分析某個機組振動故障時，專家可能對這個機組故障進行檢查和說明，但是不同機組發(fā)生故障的條件不同，形成診斷的知識也就不同。以具體機組故障診斷案例為線索，根據(jù)提供的各種數(shù)據(jù)、信息，進行分析、歸納，給出問題的答案，這樣容易使專家把注意力集中于問題求解的過程，同時，也有利于知識工程師理解專家求解問題的模式，把知識加以結(jié)構(gòu)163 / 37化組織，并歸納出與領(lǐng)域問題有關(guān)的概念、特點和關(guān)系。 觀察法在專家缺乏時間與知識工程師充分交談的情況下，觀察法提供了對知識獲取的一個基本手段。通過觀察，知識工程師可以獲得水電機組診斷領(lǐng)域的感性認識，從而對水電機組的故障診斷問題的復(fù)雜性、處置流程以及涉及到的環(huán)境因素有了直觀的理解。知識工程師作為一名學(xué)徒直接參加到專家對水電機組的故障診斷行為中。在專家對故障診斷時，往往是通過機組表現(xiàn)的狀態(tài)、破壞的部位等因素進行診斷，這些行為大多是無法清楚地用語言描述的知識，參與式觀察提供了一個有效的途徑使得知識工程師對這一領(lǐng)域的某些概念有深刻的理解。 歸納法歸納式知識獲取是采用歸納推理進行知識獲取的方法．具體地講，它從一些特定案例、不完全和不精確的局部事實、關(guān)系、概念等出發(fā)歸結(jié)出帶有一般性的推理模式或因果關(guān)系，這是一種獲取領(lǐng)域?qū)＜覇l(fā)性知識的較為合適的方法，也有利于知識庫的自身修改、擴充、更新和完善。歸納式知識獲取包括枚舉歸納式、實例學(xué)習(xí)式、類比歸納等等。 傳授法傳授法也稱教學(xué)法，它類似于教師教學(xué)。這類知識獲取方法可以分為：a) 請求。向?qū)＜姨岢鲆蟆) 解釋。專家根據(jù)所提的要求對之進行解釋。c) 實用。知識工程師根據(jù)專家的解釋，將知識形式化。d) 并入到知識庫。知識工程師將形式化的知識并入到已形成的知識庫中。計算機系統(tǒng)直接從環(huán)境(實例、書本、專家、教師 )中獲取所需的知識 (部分或全部)，從而不斷改善系統(tǒng)自身性能，這就是所謂的機器學(xué)習(xí)。機器學(xué)習(xí)的研究發(fā)展迅速，可望成為將來解決專家系統(tǒng)中知識獲取這一“瓶頸”問題的關(guān)鍵技術(shù)手段。根據(jù)環(huán)境提供信息的層次和質(zhì)量，機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)由簡單到復(fù)雜，可分為；機械記憶式學(xué)習(xí)，教導(dǎo)注入式學(xué)習(xí)，歸納學(xué)習(xí)，類比學(xué)習(xí)，從觀察和發(fā)現(xiàn)中學(xué)習(xí)。 推理與控制策略 推理是根據(jù)一定的原則(公理或規(guī)則) 從已知的事實(或判斷)推出新的事實( 或另外的判斷)的思維過程，其中推理所依據(jù)的事實叫做前提(或條件) 、由前提所推出的新事實叫做結(jié)論。故障診斷專家系統(tǒng)的主要內(nèi)容是研究診斷知識的獲取、表示和利用。診斷推理過程所要解決的主要問題是：在診斷過程的每個狀態(tài)下（包括初始狀態(tài)） ，如何控制診斷知識的選擇和運用。基于知識的診斷推理包括兩個方面的內(nèi)容，即診斷過程的推理策略和診斷過程的控制策略。164 / 37 推理診斷過程的推理策略（推理方式）是研究故障征兆與故障之間的各種邏輯關(guān)系以及不精確診斷推理中不確定性的更新算法。推理方式的多樣性，從不同角度可以分出不同的種類。按推理方向的不同，可分為：演繹推理和歸納推理。按推理的可信度，可分為：精確推理和不精確推理。按診斷過程所使用的知識層次可分為：基于深知識的推理和基于淺知識的推理。從推理方法上可以分為：基于規(guī)則的推理、基于模型的推理、基于實例的推理。 演繹推理與歸納推理演繹推理是指一組前提必然地推導(dǎo)出某個結(jié)論的過程。它是從一般到個體的推理。如機組振動過大，則存在故障。演繹推理的核心是三段論，它是由三個判斷組成，其中兩個是前提，另一個為結(jié)論。例如： a) 機組監(jiān)測得到的信號頻率都是機組轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)； b) 機械原因引起的振動頻率為機組轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)； c) 所以，機組的振動是由機械原因引起的。a)，b)是兩個判斷語句，是前提， c)是一個結(jié)論。演繹推理的結(jié)論，在原則上不超出前提的范圍；演繹推理的結(jié)論與前提的聯(lián)系是必然的，只要前提真實，推理形式正確，則結(jié)論一定是可靠的。歸納推理是從一般性較小的前提推出一般性較大的結(jié)論的推理。其思維過程是由個別到一般。歸納推理的前提是個別的、特殊的知識，同經(jīng)驗、實驗等直接有關(guān)。歸納推理的結(jié)論一般都超出前提的范圍。歸納推理的前提和結(jié)論的聯(lián)系在很多情況下不是必然的，其結(jié)論的性質(zhì)，有的是確實可靠，有的卻帶有或然性。歸納推理包括完全歸納推理、簡單枚舉法、科學(xué)歸納法、類比法和統(tǒng)計推理等。推理是以個別的已知事實為前提，推出一般性結(jié)論的推理，即個別到一般?，F(xiàn)有的專家系統(tǒng)幾乎都采用演繹推理。（1）完全歸納推理根據(jù)某類事物中每一個對象的情況或每一個子類的情況而做出關(guān)于該類事物的一般性結(jié)論．其推理形式為：IF L1 THEN RAND IF L2 THEN R ……ANDIF Ln THEN R (L1 ，L 2……，L n 是 L 類的全部子類)165 / 37THEN L → R（2）類比推理根據(jù)兩個或兩類對象有部分屬性相同，從而推出其相關(guān)屬性也相同。類比推理的一般形式為：IF X,Y,Z,W∈ A AND X,Y,Z∈BTHEN W∈B在水電機組中，經(jīng)常用到這類推理，如水輪機中的相似原理。 非單調(diào)推理在一個嚴格的演繹系統(tǒng)中，系統(tǒng)能夠證明為真的命題單調(diào)的增加，這種推理稱為單調(diào)推理。相對應(yīng)的非單調(diào)推理是指隨著知識的增加，可能使系統(tǒng)原先推出的結(jié)論被否定的推理。在非單調(diào)推理系統(tǒng)中，系統(tǒng)能證明的命題不單調(diào)增加。非單調(diào)推理非常適合于故障診斷專家系統(tǒng)。因為，在故障診斷系統(tǒng)中，專家