高级人工智能.pptx

第五章第五章 专家系统专家系统5.1专家系统概述专家系统概述5.5新型专家系统新型专家系统5.2基于规则的专家系统基于规则的专家系统5.6专家系统设计专家系统设计5.3基于框架的专家系统基于框架的专家系统5.7专家系统开发工具专家系统开发工具5.4基于模型的专家系统基于模型的专家系统5.8专家系统实例专家系统实例2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院25.1 专家系统概述专家系统概述n专家系统专家系统(expertsystem)是人工智能应用研究最是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一活跃和最广泛的课题之一n定义：是一个含有大量的某个领域专家水平的定义：是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验的智能计算机程序系统，能够利用知识与经验的智能计算机程序系统，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题域问题 2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院35.1.1专家系统特点专家系统特点专家系统具有一些共同的特点和优点专家系统具有一些共同的特点和优点n专家系统具有下列专家系统具有下列3个特点：个特点：n启发性启发性n透明性透明性n灵活性灵活性n专家系统的优点存在八个方面专家系统的优点存在八个方面(P201)2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院45.1.2专家系统的类型专家系统的类型 v解释专家系统解释专家系统 v预测专家系统预测专家系统v诊断专家系统诊断专家系统v设计专家系统设计专家系统v规划专家系统规划专家系统v监视专家系统监视专家系统v控制专家系统控制专家系统v调试专家系统调试专家系统v教学专家系统教学专家系统v修理专家系统修理专家系统2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院51.解释专家系统解释专家系统(expertsystemforinterpretation)n任务 通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况n特点n数据量很大，常不准确、有错误、不完全n能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设n推理过程可能很复杂和很长n例子 语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院62.预测专家系统预测专家系统(expertsystemforprediction)n任务 通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。n特点n系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全n系统需要有适应时间变化的动态模型n例子 有气象预报、军事预测等2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院73.诊断专家系统诊断专家系统(expertsystemfordiagnosis)n任务 根据观察到的情况根据观察到的情况(数据数据)来推断出某个对象机能来推断出某个对象机能失常失常(即故障即故障)的原因的原因n特点n能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系它们之间的联系n能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象n能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断出尽可能正确的诊断 n例子 有医疗诊断、故障诊断等有医疗诊断、故障诊断等 2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院84.4.设计专家系统设计专家系统(expertsystemfordesign)n任务任务 寻找出某个能够达到给定目标的动寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤作序列或步骤n特点特点n从多种约束中得到符合要求的设计从多种约束中得到符合要求的设计n系统需要检索较大的可能解空间系统需要检索较大的可能解空间n能试验性地构造出可能设计，易于修改能试验性地构造出可能设计，易于修改n能够使用已有设计来解释当前新的设计能够使用已有设计来解释当前新的设计n例子例子 VAX计算机结构设计、电路设计等计算机结构设计、电路设计等2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院95.规划专家系统规划专家系统(expertsystemforplanning)n任务任务 寻找出某个能够达到给定目标的动作序寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤列或步骤n特点特点n所要规划的目标可能是动态的或静态的，所要规划的目标可能是动态的或静态的，需要对未来动作做出预测需要对未来动作做出预测n所涉及的问题可能很复杂所涉及的问题可能很复杂 n例子例子 军事指挥调度系统、军事指挥调度系统、ROPES机器人机器人规划规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院106.监视专家系统监视专家系统(expertsystemformonitoring)n任务任务 对系统、对象或过程的行为进行不断观对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报进行比较，以发现异常情况，发出警报n特点特点n系统应具有快速反应能力系统应具有快速反应能力n系统发出的警报要有很高的准确性系统发出的警报要有很高的准确性n系统能够动态地处理其输入信息系统能够动态地处理其输入信息n例子例子 防空监视、防空监视、虫害测报专家系统虫害测报专家系统2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院117.控制专家系统控制专家系统(expertsystemforcontrol)n任务任务 自适应地管理一个受控对象或客体的全自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求面行为，使之满足预期要求n特点特点 控制专家系统具有解释、预报、诊断、控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能规划和执行等多种功能n例子例子 空中交通管制、商业管理、自主机器人空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和生产质量控制、作战管理、生产过程控制和生产质量控制等控制等2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院128.调试专家系统调试专家系统(expertsystemfordebugging)n任务任务 对失灵的对象给出处理意见和方法对失灵的对象给出处理意见和方法n特点特点 同时具有规划、设计、预报和诊断等专家同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能系统的功能n例子例子 在这方面的实例还比较少见。在这方面的实例还比较少见。程序调试程序调试。2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院139.教学专家系统教学专家系统(expertsystemforinstruction)n任务任务 根据学生的特点，以适当的方法对学生进行教学根据学生的特点，以适当的方法对学生进行教学和辅导和辅导n特点特点n同时具有诊断和调试等功能同时具有诊断和调试等功能n具有良好的人机界面具有良好的人机界面n例子例子 MACSYMA符号积分与符号积分与定理证明系统，计算机定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统等程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统等2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院1410.修理专家系统修理专家系统(expertsystemforrepair)n任务任务 对发生故障的对象对发生故障的对象(系统或设备系统或设备)进行处理，进行处理，使其恢复正常工作使其恢复正常工作n功能功能 有诊断、调试、计划和执行等功能有诊断、调试、计划和执行等功能n例子例子 电视维护修理系统电视维护修理系统2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院155.1.3专家系统的结构和建造步骤1.专家系统的结构专家系统的结构n定义：指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式知识库知识库推理机推理机专家知识专家知识输入或提问输入或提问答案答案图图5.15.1专家系统结构简图专家系统结构简图2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院16理想专家系统理想专家系统图图5.25.2则为理想专家系统的结构图则为理想专家系统的结构图接口接口用户用户事实事实规则规则计划计划议程议程中间解中间解黑板黑板知识库知识库解释器解释器执行器执行器调度器调度器协调器协调器2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院17一般应用程序与专家系统的区别：一般应用程序与专家系统的区别：一般应用程序一般应用程序专家系统专家系统 把问题求解的知识把问题求解的知识隐含地编入程序。隐含地编入程序。把知识组织为两级：把知识组织为两级：数据级和程序级。数据级和程序级。把其应用领域的问题把其应用领域的问题求解知识单独组成一求解知识单独组成一个实体。即为知识库。个实体。即为知识库。将知识组织成三级；将知识组织成三级；数据、知识库和控制。数据、知识库和控制。2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院18知识化知识化问题问题图图5.35.3建立专家系统的步骤建立专家系统的步骤合法化合法化概念化概念化形式化形式化规则化规则化知识知识概念概念结构结构形式形式规则规则再设计再设计改进改进重新阐述重新阐述2.专家系统的建造步骤专家系统的建造步骤2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院19建立系统的一般步骤如下建立系统的一般步骤如下n设计初始知识库n问题知识化n知识概念化n概念形式化n形式规则化n规则合法化n原型机（prototype）的开发与实验n知识库的改进与归纳 规则规则2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院205.2基于规则的专家系统知识库知识库（规则）（规则）工作存储器工作存储器（事实）（事实）推理机推理机1.1.基于规则的专家系统的工作模型基于规则的专家系统的工作模型 图图5.4 5.4 基于规则的工作模型基于规则的工作模型2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院21基于规则的专家系统采用下列基于规则的专家系统采用下列模块来建立产生式系统的模型模块来建立产生式系统的模型：n知识库知识库 以一套规则建立人的长期存储器模型以一套规则建立人的长期存储器模型n工工作作存存储储器器 建建立立人人的的短短期期存存储储器器模模型型，存存放放问问题事实和由规则激发而推断出的新事实题事实和由规则激发而推断出的新事实n推推理理机机 借借助助于于把把存存放放在在工工作作存存储储器器内内的的问问题题事事实实和和存存放放在在知知识识库库内内的的规规则则结结合合起起来来，建建立立人人的推理模型，以推断出新的信息的推理模型，以推断出新的信息 2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院222.基于规则专家系统的结构基于规则专家系统的结构解释器解释器用户界面用户界面开发开发界面外部程序外部程序工作存储器工作存储器推理机推理机知识库知识库用户知识工程师图5.5 基于规则专家系统的结构2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院235.3基于框架的专家系统基于框架的专家系统n1.面向目标编程与基于框架设计n基于框架的专家系统建立在框架的基础之上n基于框架的专家系统采用面向目标编程技术n基于框架的设计和面向目标的编程共享许多特征n在设计基于框架系统时，专家系统的设计者们把目标叫做框架2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院24特征名称值侧面规则目标议程表人类男人女人约翰李勇 丽达 王红n类（class）n槽(Slots)n子类（subclass)n例子(instances)n规则(rules)n目标议程表 (goal agenda)2.基于框架专家系统的结构图5.6 人类的框架分层结构2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院253.基于框架专家系统的一般设计方法n基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规则的专家系统相似。主要差别在于如何看待和使用知识n在设计基于框架的专家系统时，把整个问题和每件事想像为编织起来的事物n在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的方法n对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院265.4基于模型的专家系统基于模型的专家系统1.基于模型专家系统的提出v关于人工智能的一个观点:人工智能是对各种定性模型的获得、表达和使用的计算方法进行研究的学问。v基于逻辑心理模型、人工神经网络模型、定性物理模型、可视知识模型v在诸多模型中，人工神经网络模型的应用最为广泛2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院272.基于神经网络的专家系统n神经网络模型从知识表示、推理机制到控制方式，与目前专家系统中的基于逻辑的心理模型有本质的区别n三种神经网络模型与专家系统集成模式n神经网络支持专家系统n专家系统支持神经网络n协同式的神经网络专家系统2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院28神经网络专家系统的基本结构知识获取学习示例网络结构学习算法解释器专家神经网络用户知识库推理机图5.7 神经网络专家系统的基本结构2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院29神经网络专家系统的几个问题讨论n神经网络的知识表示是一种隐式表示n神经网络通过实例学习实现知识自动获取n神经网络的推理是个正向非线性数值计算过程，同时也是一种并行推理机制n同一知识领域的几个独立的专家系统可组合成更大的神经网络专家系统2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院305.5 5.5 新型专家系统新型专家系统5.5.1 新型专家系统的特征n并行与分布处理n多专家系统协同工作n高级语言和知识语言描述n具有自学习功能n引入新的推理机制n具有自纠错和自完善能力n 先进的智能人机接口2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院315.5.2分布式专家系统分布式专家系统n主要目的：把一个专家系统的功能经分解以后分布到多个处理器上去并行地工作，从而在总体上提高系统的处理效率。n可以工作在紧耦合的多处理器系统环境中，也可工作在松耦合的计算机网络环境里，所以其总体结构在很大程度上依赖于其所在的硬件环境。2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院32设计和实现分布式专家系统，需要解决的问题：设计和实现分布式专家系统，需要解决的问题：n功能分布 把分解得到的系统各部分功能或任务合理均衡地分配到各处理节点上去n知识分布 根据功能分布的情况把有关知识经合理划分以后分配到各处理节点上。n接口设计 各部分间接口的设计目的是要达到各部分之间互相通讯和同步容易进行n系统结构 一方面依赖于应用的环境与性质，另一方面依赖于其所处的硬件环境n驱动方式 可供选择的几种驱动方式(1)控制驱动(2)数据驱动(3)需求驱动(4)事件驱动2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院335.5.3协同式专家系统协同式专家系统n一般专家系统解题的领域面很窄n协同式多专家系统是克服一般专家系统的局限性的一个重要途径。n协同式多专家系统亦可称“群专家系统”2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院34设计与建立一个协同式多专家系统，需要解决的问题：n任务的分解 n公共知识的导出 n讨论方式 ：黑板n裁决问题：如少数服从多数、加权法等n驱动方式2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院355.6 5.6 专家系统设计专家系统设计分为以下两部分介绍分为以下两部分介绍 以以设设计计一一个个基基于于规规则则的的维维修修咨咨询询系系统统为为例例，说说明明专专家家系系统统的的设设计计过过程程。这这一一过过程程包包括括描描述述专专家知识、应用知识和解释决策等。家知识、应用知识和解释决策等。v专家知识的描述专家知识的描述v知识的使用和决策解释知识的使用和决策解释2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院365.6.1专家知识的描述专家知识的描述n结论的表示 结论规定了所涉及专门知识的范围n观测的表示 观测是得到结论所需要的观察或量测结果n推理规则的表示 产生式规则是决策规则最为常用的表示形式可根据观测和假设之间的逻辑关系分成3类：1)从观测到观测的规则（FF规则）FactFF规则规定那些可从已确定的观测直接推导出来的观测的真值。因为通过把观测和假设相组合可以描述功能更强的产生式规则形式。2)从观测到假设的规则（FH规则）Hypothesis在许多用于分类的专家系统中，产生式规则可对产生式结论的可信程度进行量度。3)从假设到假设的规则（HH规则）HH(从假设到假设)规则用来规定假设之间的推理。2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院375.6.2 知识的使用和决策解释n结论的分级与选择n询问问题的策略n固定的顺序n根据具体情况作出某种选择n决策的解释n对系统设计者的解释n对系统使用者的解释2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院385.7 专家系统开发工具n专家系统工具是一种更高级的计算机程序设计语言n现有的专家系统工具，主要分为:n骨架型工具：知识库以外的部分；n语言型工具：OPS5、CLIPSn构造辅助工具：设计辅助工具、知识获取辅助工具n支撑环境：调试、输入输出、解释、知识库编辑2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院391.骨架型开发工具n定义 只保留原系统独立于问题领域知识的推理机部分形成的工具称为骨架n优点 使用方便，节省在开发系统的过程结构上的时间，提高开发效率，交互性好，提供很强的对结果进行解释的功能n问题及缺点 不灵活n实例 EMYCIN 2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院402.语言型开发工具n与骨架型的对比 n优点 结构变化范围广泛，表示灵活，所适应的范围广泛n问题及缺点 功能上的通用性与使用上的方便性的矛盾造成一些问题和缺点n实例 OPS5、CLIPS等2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院413.构造辅助工具n主要分两类 设计辅助工具，知识获取辅助工具n实例 AGE系统、TEIRESIAS4.支撑环境v支撑设施是指帮助进行程序设计的工具v四个典型组件：调试辅助工具、输入输出设施、解释设施和知识库编辑器2024/10/3 周四安徽大学 计算机科学与技术学院425.8 实例 自己研究 动物园或者其他5.9 小结n首先研究了专家系统的基本问题n接着讨论了基于不同技术建立的 专家系统n第五节归纳的新型专家系n第六节介绍了专家系统的设计n第七节简介了4种主要开发工具