人工智能之专家系统.ppt

,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二级,第三级,第四级,第五级,*,专家系统原理与设计,1,专家系统原理与设计,1.,专家系统的概念,2.,专家系统的结构,3.,专家系统设计与实现,4.,专家系统开发工具与环境,2,1,、,专家系统的概念,1.1,什么是专家系统,亦称专家咨询系统,，,它是一种具有大量专门知识与经验的智能计算机系统，通常，主要指软件系统。它把专门领域中人类专家的知识和思考解决问题的方法、经验和诀窍组织整理且存储在计算机中，不但能模拟领域专家的思维过程，而且能让计算机宛如人类专家那样智能地解决实际问题。,狭义地讲,，,专家系统就是人类专家智慧的拷贝，是人类专家的某种化身。,广义地讲,，,专家系统也泛指那些具有“专家级”水平的知识系统，从总体上达到专家级水平。,3,1.2,专家系统的特点：,专家系统与人类专家比较具有以下一些特点,:,1,）专家系统是,人类专家智能的模拟、延伸和扩展。,2,）专家系统是专家可以,信赖和利用的高水平智能助手和有效工具。,3,）专家系统可具有一个或多个专家的知识和经验，具有专门知识的启发性，能以接近于人类专家的水平在,特定领域工作，注重特定问题的求解。,4,）专家系统能,高效、准确、迅速,地工作。,5,）专家系统,突破了时间和空间的限制,，程序可永久保存并可复制。,6,）专家系统能进行有效,推理,。,7,）具有,透明性,，能以可理解的方式解释推理过程。,8,）具有,自学习能力,，总结规律，扩充和完善系统自身。,4,同一般的计算机应用系统（如数值计算、数据处理系统等）相比，专家系统具有下列特点：,(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。,5,(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。,(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平求解问题。,6,1.3知识的编程和传统的计算机编程的比较,项目,知识型编程,传统编程,内容,知识的定义、表示和使用,数据处理步骤的描述和使用,能力,超过程序员理解水平,与程序员理解水平相等,表现,与说明型为主,与过程型为主,模型,思考模型,处理模型,用途,对大知识库处理、问题求解,对大数据库进行处理,手法,符号处理,数值处理,运算,推理控制过程,重复计算过程,理解,容易,困难,扩充,容易,困难,解释,容易做到在运行中解释,不容易做到在运行中解释,处理,高度的集成处理,顺序的批处理,规则,启发式,算法式,7,1.4,专家系统的类型,关于专家系统的分类，目前还无定论。仅从几个不同的侧面对此进行讨论。,1.,按用途分类,按用途分类，专家系统可分为：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,按输出结果分类，专家系统可分为分析型和设计型。,8,3.,按知识表示分类,目前所用的知识表示形式有：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，按知识分类，专家系统又可分为精确推理型和不精确推理型（如，模糊专家系统）。,5.,按技术分类,按采用的技术分类，专家系统可分为符号推理专家系统和神经网络专家系统。,9,6.,按规模分类,按规模分类，可分为大型协同式专家系统和微专家系统。,7.,按结构分类,按结构分类可分为集中式和分布式，单机型和网络型,(,即网上专家系统,),。,10,神经网络,ES,自动获取模块输入、组织并存储专家提供的学习实例、选定神经网络的结构、调用神经网络的学习算法，为知识库实现知识获取。当新的学习实例输入后，知识获取模块通过对新实例的学习，自动获得新的网络权值分布，从而更新了知识库。如图所示。,学习示例,网络结构,学习算法,解释器,知识获取,知识库,推理机,神经网络,ES,的基本结构,用户,神经网络,专家,11,2.1,概念结构,从概念来讲，一个专家系统应具有如图,1,所示的一般结构模式。其中,知识库和推理机,是两个最基本的模块。,1.,知识库（,KnowledgeBase),所谓知识库，就是,以某种表示形式存储于计算机中的知识的集合,。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,。,2,、,专家系统的结构,12,图,1,专家系统的概念结构,13,2.,推理机（,Inferense Engine,）,所谓推理机，就是,实现（机器）推理的程序,。这里的推理，是一个广义的概念，它既包括通常的逻辑推理，也包括基于产生式的操作。例如：,AB,A,B,14,3.,动态数据库,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，它是,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,这里的人机界面指的是最终用户与专家系统的交互界面。,5.,解释模块,解释程序模块专门负责向用户解释专家系统的行为和结果。,15,6.,知识库管理系统,知识库管理系统是知识库的支撑软件。知识库管理系统对知识库的作用，类似于数据库管理系统对数据库的作用，其功能包括知识库的建立、删除、重组；知识的获取（主要指录入和编辑）、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。,16,图,2,专家系统的理想结构,17,2.2,实际结构,上面介绍的专家系统结构，是专家系统的概念模型，或者说是只强调知识和推理这一主要特征的专家系统结构。但专家系统终究仍是一种计算机应用系统。所以，它与其它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，,比如，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。,18,图,3,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,19,图,4,地质图件绘制智能辅助系统结构,20,2.3,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,“,客户机,/,服务器,”,(Client/Server),结构（如图,5(a),所示），或浏览器,/,服务器,(Browser/Server),结构,(,如图,5(b),所示,),。我们称后一种结构的专家系统为网上专家系统。,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，就可以设计成分布式结构。这类专家系统也就称为分布式专家系统。,21,图,5,专家系统的客户,(,机,)/,服务器结构及浏览器,/,服务器结构,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 Server,Internet,22,3,、专家系统设计与实现,3.1,ES,设计的原则,根据,ES,的特点，在设计中应遵循下列原则：,专门任务。,ES,设计应面向专家知识和经验行之有效的场合，面向专业性的专门任务。,原型设计。,采用“最小系统观点”进行系统原型设计，逐步修改、扩充和完善。,专家合作。,领域专家与知识工程师相互合作，是知识获取成功的关键。,用户参与。,用户参与,ES,的设计和开发，有助于人,-,机接口设计及系统的运行和评价。,辅助工具。,采用,ES,开发工具进行辅助设计，借鉴已有系统经验，提高设计效率。,23,专家系统设计与实现的一般过程,系统维护与完善,选题与明确任务,系统需求分析,知识获取与概念化,知识的形式化表示,系统设计,编程与调试,测试与评价,专家系统设计与实现的一般过程,再选题,再测评,精化,再设计,再获取,再形成,再分析,24,专家系统设计结构图,知识源,学习模块,用户接口模块,结论模块,问题理解模块,推理机模块,可信度模块,知识获取模块,知识库模块,规则库知识库 事实库,知识解释模块,25,建立专家系统的一般步骤,26,由图中可以看出，专家系统的开发有如下特点：,(1),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？,27,(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。,28,3.2,知识获取,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。,29,2.,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机制，使得系统在运行过程中能不断地总结经验，并修改和扩充自己的知识库；另一种是开发专门的机器学习系统，让机器自动从实际问题中获取知识，并填充知识库。,30,3.3,知识表示与知识描述语言设计,知识表示与知识描述语言设计是根据所获得知识的特点，选择或设计某种知识表示形式，并为这种表示形式设计相应的知识描述语言。所谓,知识描述语言，就是知识的具体语法结构形式,。所以，知识描述语言既要面向人、面向用户，又要面向知识表示、面向机器，还要面向推理、面向知识运用。这就要求知识描述语言,既能为用户提供一种方便、易懂的外部知识表达形式，又能将这种外部表示转换成容易存储、管理、运用的内部形式。,31,3.4,知识库与知识库管理系统设计,知识库是专家系统的核心,。知识库的质量直接关系到整个系统的性能和效率。因此，知识库涉及知识的组织与管理。知识的组织决定了知识库的结构，知识的管理包括知识库的建立、删除、重组及维护和知识的录入、查询、更新、优化等，还有知识的完整性、一致性、冗余性检查和安全保护等方面的工作。知识管理由知识库管理系统负责。,32,1.,知识库设计,知识库设计主要是设计知识库的结构，即知识的组织形式。,专家系统（或知识工程）中所涉及的知识库，一般取层次结构或网状结构模式。这种结构模式是把知识按某种原则进行分类，然后分块分层组织存放，如按元知识、专家知识、领域知识等分层组织；而每一块和每一层还可以再分块分层。这样，整个知识库就呈树型或网状结构。例如，下图所示的就是一个医疗诊断知识库的层次结构。,33,医疗诊断知识库层次结构,医疗诊断知识库,消化,系统,知识,库,呼吸,系统,知识,库,肝病,知识,库,胃病,知识,库,34,2.,知识库管理系统设计,知识库管理系统应包括知识一级和知识库一级的各种管理功能。,1),知识操作功能设计,知识操作功能包括知识的添加、删除、修改、查询和统计等。这些功能可采用两种方法来实现。一种方法就是利用屏幕窗口，通过人机对话方式实现知识的增、删、改、,查等；另一种方法就是用全屏幕编辑方式，让用户直接用键盘按知识描述语言的语法格式编辑知识。,35,2),知识检查功能设计,知识检查包括知识的一致性、完整性、冗余性等检查。,所谓知识的,一致性,，就是知识库中的知识必须是相容的，即无矛盾。例如，下面的两条规则,r1:if P then Q,r2:if P then Q,就是矛盾的。那么，像这样的规则就不能同时存在于一个知识库中。,36,所谓,完整性,，是指知识中的约束条件，称为完整性约束。例如，小王的身高,x,米，则必须满足：,x3,米；又如，弟弟今年,x,岁，哥哥今年,y,岁，则必须满足,xy,。否则就破坏了知识的完整性。,所谓,冗余性,，就是重复、多余等。冗余性检查就是检查知识库中的知识是否存在冗余。也就是要求不能存在冗余。冗余的表现有重复、包含、环路等现象。例如，下面的三条规则：,r1:if P then Q,r2:if Q then R,r3:if P then R,37,3),知识库操作设计,知识库操作包括知识库（文件）的建立、删除、分解、合并等。,这里着重要说明的是知识库的分解与合并。这两种功能类似于关系数据库的投影、选择和连接操作，它们实现的是知识库的重组。我们说，知识库的重组也是可能甚至是必要的。因为随着系统的运行，可能会发现原先的知识组合不合理，因此就需要重新组合，这时就需要使用知识库的分解与合并功能。,38,3.5,推理机与解释功能设计,1.,从哪里着手,;,推理机是与知识库对应的专家系统的另一重要部件。推理机的推理是基于知识库中的知识进行的。所以，推理机就必须与知识库及其知识相适应、相配套。,具体来讲，就是推理机必须与知识库的结构、层次以及其中知识的具体表示形式等相协调、相匹配。,否则，推理机与知识库将无法接轨。因此，,设计推理机时，首先得对知识库有所了解。,39,2.,还应考虑些什么,对推理机本身而言，还要,考虑推理的方式、方法和控制策略等。,例如，对于推理方式，是正向推理，还是反向推理或双向推理？是精确推理，还是不精确推理？是串行推理，还是并行推理？是单调推理，还是非单调推理？又如，对于推理方法，是用归结法，还是用自然演绎法？对于不精确推理采用什么样的推理模型？还有，对于搜索控制，是采用深度优先还是广度优先，对于冲突消解是依据优先数，还是可信度或程度（即隶属度）等等。,40,3.,算法设计与程序设计,做了上述的分析以后，就可着手设计推理机的算法了。对于一个基于规则的系统来说，其推理机也就相当于产生式系统中的执行控制部件，所以其运行过程也就是产生系统的运行过程，因此，,产生式系统所采用的算法，或者图搜索中所用的算法也就是这里的推理机所用的算法。,算法确定后，就可进行程序设计。至于推理机用何种程序语言实现，这个并无什么限制，如可以用传统的,LISP,或,PROLOG,语言，也用当前流行的,C,或,C+,语言。,41,4.,解释机制如何实现,另外，在推理机的设计中还得考虑解释机制。因为专家系统一般要求要有解释功能。即在推理中要能回答用户,“,为什么,”,的问题，在推理结束后，要能回答,“,怎么样（得到结果）,”,的问题。,从系统的结构上讲，一般是把解释作为一个独立的模块，但实际上解释功能也是与推理机密切相关的。因为要解释就必须对推理进行实时跟踪。,42,3.6,系统结构设计,系统构成技术被称为人工智能的三大技术之一。所以，对一个专家系统来说，其体系结构就显得非常重要。,虽然从原理来讲，专家系统由知识库、推理机等部分组成，但由于受问题领域、系统规模、知识表示方法、知识库结构以及其他特殊性等诸多因素的影响，故专家系统的体系结构难以形成固定的模式。一般来讲，有诸如独立式（一个,“,纯,”,专家模块）、混合式（还有其他处理模块）、集中式、分布式、层次式以及“黑板模型”等。,43,3.7,人机界面设计,人机界面对于一个实用专家系统,(,特别是咨询型知识系统,),来说至关重要。一个专家系统一般有,两个人机界面：一个是面向系统开发和维护者的；一个是面向最终使用者的。,前一个界面由开发工具提供；后一个则是专家系统自身的一部分。由于图形用户界面,(GUI),的广泛使用，所以目前专家系统的开发界面已达到相当高的水平。而专家系统的使用界面相对还比较落后。这是因为，使用界面往往要涉及,“,人机对话,”,，如人对系统的询问、系统对人的回答，特别是系统对用户的解释。,44,4,专家系统开发工具与环境,4.1,专家系统开发工具,专家系统,(ES),工具,有时也叫做,ES,外壳和,ES,环境，主要是研制样机的工具，通过抽调某个,ES,的知识库，就可从特殊的,ES,中抽出外壳来而成为,ES,工具。,ES,工具支持的功能包括,：,推理过程、数据存取、自然语言对话的界面,(,接口,),、过程的界面、解释功能。,45,ES,开发工具和环境可分为五种主要类型,:,程序设计语言、知识工程语言、辅助型工具、支持工具及开发环境，如图所示。,专家系统建造方法可以分成以下三种,:,利用计算机高级语言编写建造,ES,；,利用计算机程序设计环境编写建造,ES,；,用计算机程序设计工具建造,ES,。,专家系统工具和环境,专家系统工具和环境的组成,程序设计语言,知识工程语言,辅助型工具,支持工具,开发环境,面向问题的语言,符号处理语言,骨架型,通用型,知识获取,系统设计助手,程序设计辅助,解释设施,46,4.2,专家系统语言型工具,4.2.1,程序设计语言,程序设计语言包括,面向问题,的语言和,符号处理,语言。,面向问题,的语言是为特定的问题类型而设计的，其主要代表有,C,、,PASCAL,、,ADA,等，它们在处理代数运算方面有很方便的特征；,符号处理,语言是为人工智能应用而设计的，它的主要代表有以,LISP,为代表的函数型语言，以,Prolog,为代表的逻辑型语言，以及,C+,、,Java,等为代表的面向对象语言。这些语言典型的特点是具有很强的递归功能,47,4.2.2,知识工程语言,骨架型知识工程语言,骨架型知识工程语言也称为,专家系统外壳,，它是由一些已经成熟的具体专家系统演变来的。其演变方法是，,抽去这些专家系统中的具体知识，保留它们的体系结构和推理机功能，再把领域专用的界面改为通用界面，这样，就可得到相应的专家系统外壳。,当用它来建造专家系统时，只须把相应领域的专家知识用外壳规定的知识表示模式装入知识库，就可以快速地产生一个新的专家系统。,ES,外壳的典型代表有,EMYCIN,、,KAS,及,EXPERT,等,通用型知识工程语言,通用型,ES,开发工具，是专门用于构造和调试,ES,的通用程序设计语言。它是完全重新设计的一类,ES,开发工具，,不依赖于任何已有,ES,，不针对任何具体领域，能够处理不同问题领域和不同问题类型,。它比骨架系统提供了更多的对数据存取和查找的控制，具有更大的灵活性和通用性，但比较难于使用。,48,表,通用型知识工程语言,49,4.3,专家系统设计工具,4.3.1,辅助型工具,ES,辅助工具是,ES,开发工具中支撑环境的一部分，主要用于帮助建造高质量的知识库和调试,ES,，包括一些用来帮助获取知识、表达知识的程序，以及帮助知识工程师设计,ES,的程序。,1.,知识获取辅助工具,如美国斯坦福大学开发的,TEIRESIAS,编辑器，能获得有效的良结构的专家领域知识，并加工、编辑到知识库中。,50,2.,系统设计助手,ES,的设计助手有以下三种类型：,设计辅助工具,。它用来实现,ES,的辅助设计。例如，美国斯坦福大学用,INTERLISP,语言开发的,AGE,就是一例。它包括以下,4,个子系统：,设计子系统,：指导用户使用组合规则的预组合模型。,编辑子系统,：辅助用户选用预制构件模块，装入领域知识和控制信息，建造知识库。,解释子系统,：执行用户的程序，进行知识推理以求解问题，并提供查错手段，建造推理机。,跟踪子系统,：进行全面的跟踪和测试的子系统。,归纳工具,。它用来帮助开发者从大量的初始实例出发，归纳产生出规则或决策树。,辅助建造工具,。它用来辅助建造,ES,。,51,4.3.2,支持工具,ES,支持工具也称为,ES,支持环境或支持工具集。它们用来,执行与,ES,建造工具的连接，帮助用户与,ES,对话，辅助程序的调试或作为它的一部分,。,辅助调试工具,。该工具提供相应的跟踪辅助功能、自动测试模块及中断设施等。跟踪辅助使用户能跟踪或显示系统的操作。自动测试模块用于测试知识库，指出知识库的薄弱部分，选择修改对象。中断程序包使用户能预先告知程序在什么位置停止。,知识库编辑器,。这是基于文本编辑的知识编辑工具。,输入,/,输出界面,。此界面提供实时知识获取工具和多种不同输入,/,输出方式。有些工具提供运行时实现知识获取功能，此时工具机制本身使用户能够与运行的系统对话。,解释设施,。这是用来向用户解释系统是如何得到某个特定结果的。,52,4.4,专家系统开发环境,1.,定义：,ES,开发环境是以一种或多种工具和方法为核心，由若干计算机子程序或者模块组成的，为高效率开发,ES,而设计和实现的大型智能计算机软件系统，加上与之配套的各种辅助工具和界面环境的完整的集成，形成一种集成化,ES,开发工具包，用于解决特殊范围或层次的问题。,2.,功能：,多种知识表示：至少提供两、三种以上知识表示。,多种不精确推理模型，最好还留有用户自定义接口。,多种知识获取手段：除了必需的知识编辑工具外，还应有自动知识获取即机器学习功能，以及知识求精手段。,53,多样的辅助工具：包括数据库访问、电子表格、作图等工具。,多样的友好用户界面：包括开发界面和,ES,产品的用户界面，应该是多媒体的，并且有自然语言接口。,广泛的适应性：能满足多种应用领域的特殊需求，具有很好的通用性。,54,谢 谢！,55,