1、2021-10-221第第12章章 專家系統專家系統2021-10-222第第12章專家系統章專家系統12.1專家系統的概念專家系統的概念12.2專家系統的結構專家系統的結構12.3專家系統實例專家系統實例12.4專家系統設計與實現專家系統設計與實現12.5專家系統開發工具與環境專家系統開發工具與環境12.6新一代專家系統研究新一代專家系統研究2021-10-22312.112.1專家系統概念專家系統概念12.1.112.1.1什么是專家系統什么是專家系統12.1.212.1.2專家系統的特點專家系統的特點12.1.312.1.3專家系統的類型專家系統的類型12.1.412.1.4專家系統與知

2、識系統專家系統與知識系統12.1.512.1.5專家系統與知識工程專家系統與知識工程2021-10-22412.1.112.1.1什么是專家系統什么是專家系統n專家的特點專家的特點n擁有豐富的專業知識和實踐經驗；擁有豐富的專業知識和實踐經驗；n具有獨特的思維方式。具有獨特的思維方式。n專家系統的要素專家系統的要素n應用于某專門領域；應用于某專門領域；n擁有專家級知識；擁有專家級知識；n能模擬專家思維；能模擬專家思維；n達到專家級水平。達到專家級水平。2021-10-22512.1.212.1.2專家系統的特點（一）專家系統的特點（一）(1)從處理的問題性質看，專家系統善于解決那從處理的問題性質

3、看，專家系統善于解決那些不確定性的、非結構化的、沒有些不確定性的、非結構化的、沒有算法解或雖算法解或雖有算法解但在現有的機器上無法實施的困難問有算法解但在現有的機器上無法實施的困難問題。題。 (2)從處理問題的方法看，專家系統則是靠知識從處理問題的方法看，專家系統則是靠知識和推理來解決問題（不像傳統軟件系統使用固和推理來解決問題（不像傳統軟件系統使用固定的算法來解決問題），所以，專家系統是基定的算法來解決問題），所以，專家系統是基于知識的智能問題求解系統。于知識的智能問題求解系統。2021-10-22612.1.212.1.2專家系統的特點（二）專家系統的特點（二）(3)從系統的結構來看，專家

4、系統則強調知從系統的結構來看，專家系統則強調知識與推理的分離，因而系統具有很好的識與推理的分離，因而系統具有很好的靈活性和可擴充性。靈活性和可擴充性。 (4)專家系統一般還具有解釋功能，即在專家系統一般還具有解釋功能，即在運行過程中一方面能回答用戶提出的問運行過程中一方面能回答用戶提出的問題，另一方面還能對最后的輸出（結論）題，另一方面還能對最后的輸出（結論）或處理問題的過程作出解釋。或處理問題的過程作出解釋。2021-10-22712.1.212.1.2專家系統的特點（三）專家系統的特點（三） (5)有些專家系統還具有有些專家系統還具有“自學習自學習”能力，能力，即不斷對自己的知識進行擴充、

5、完善和即不斷對自己的知識進行擴充、完善和提煉。這一點是傳統系統所無法比擬的。提煉。這一點是傳統系統所無法比擬的。 (6)專家系統不像人那樣容易疲勞、遺忘，專家系統不像人那樣容易疲勞、遺忘，易受環境、情緒等的影響，它可始終如易受環境、情緒等的影響，它可始終如一一地以專家級的高水平求解問題。地以專家級的高水平求解問題。 2021-10-22812.1.312.1.3專家系統的類型專家系統的類型（1）按用途來分（）按用途來分（診斷型、解釋型、預測型、決診斷型、解釋型、預測型、決策型、設計型、規劃策型、設計型、規劃型、控制型、調度型）型、控制型、調度型）（2）按輸入結果分類（）按輸入結果分類（分析型、

6、設計型分析型、設計型）（3）按知識表示分類）按知識表示分類（4）按知識分類（）按知識分類（確定性知識、不確定性知識確定性知識、不確定性知識）（5）按技術分類（）按技術分類（符號推理、神經網絡符號推理、神經網絡）（6）按規模分類（）按規模分類（大型協同、微專家大型協同、微專家）（7）按結構分類（）按結構分類（集中、分布、單機、網絡集中、分布、單機、網絡）2021-10-22912.1.412.1.4專家系統與知識系統專家系統與知識系統狹義上：專家系統是人類專家的化身；狹義上：專家系統是人類專家的化身；廣義上：專家系統泛指各類知識系統。廣義上：專家系統泛指各類知識系統。2021-10-221012

7、.1.512.1.5專家系統與知識系統專家系統與知識系統n專家系統促使了知識工程的誕生和發展，專家系統促使了知識工程的誕生和發展，知識工程又是位專家系統服務的。知識工程又是位專家系統服務的。2021-10-2211第第1212章專家系統章專家系統12.112.1專家系統的概念專家系統的概念12.212.2專家系統的結構專家系統的結構12.312.3專家系統實例專家系統實例12.412.4專家系統設計與實現專家系統設計與實現12.512.5專家系統開發工具與環境專家系統開發工具與環境12.612.6新一代專家系統研究新一代專家系統研究2021-10-221212.212.2專家系統的結構專家系統

8、的結構12.2.112.2.1概念結構概念結構12.2.212.2.2實際結構實際結構12.2.312.2.3黑板模型黑板模型12.2.412.2.4網絡與分布式結構網絡與分布式結構2021-10-221312.2.112.2.1概念結構概念結構知識庫是以某種知識庫是以某種表示形式存儲于表示形式存儲于計算機中的知識計算機中的知識的集合。包括專的集合。包括專家知識、領域知家知識、領域知識和元知識。識和元知識。實現推理的程序實現推理的程序。使用知識庫中。使用知識庫中的知識進行推理的知識進行推理而解決問題的，而解決問題的，是專家的思維機是專家的思維機制。制。全局數據庫，存放全局數據庫，存放初始證據事

9、實、推初始證據事實、推理結果和控制信息理結果和控制信息的場所。的場所。用戶通過界面向系用戶通過界面向系統提出或回答問題，統提出或回答問題，向系統提供原始數向系統提供原始數據和事實。系統通據和事實。系統通過界面向用戶提出過界面向用戶提出回答結果。回答結果。推理過程中，回答推理過程中，回答why之類的問題；之類的問題；推理結束后，回答推理結束后，回答how之類問題。之類問題。管理知識庫的建立管理知識庫的建立刪除重組，知識的刪除重組，知識的獲取、知識的檢查獲取、知識的檢查2021-10-221412.2.212.2.2實際結構實際結構（1 1）實際問題錯綜復）實際問題錯綜復雜，可能需要多次推雜，可能

10、需要多次推理，所以知識庫是多理，所以知識庫是多層的或多塊的。層的或多塊的。（2 2）實際問題往往）實際問題往往不僅需要推理，而且不僅需要推理，而且還需要做一些處理，還需要做一些處理，所以增加處理模塊。所以增加處理模塊。2021-10-221512.2.212.2.2實際結構實際結構圖84 地質圖件繪制智能輔助系統結構 多 媒 體 人 機 界 面方 法知識庫參 數知識庫動態數據庫評 價知識庫自學習模 塊知 識 庫 管 理 系統方法選擇參數確定圖件繪制圖形評價io接口2021-10-221612.2.412.2.4網絡與分布式結構網絡與分布式結構2021-10-221712.2.312.2.3黑板

11、模型（一）黑板模型（一）黑板是分黑板是分層的全局層的全局工作區，工作區，用來存儲用來存儲初始數據、初始數據、中間結果中間結果和最終結和最終結果。果。知識源就知識源就是知識模是知識模塊。一個塊。一個知識源可知識源可視為一個視為一個規則，包規則，包括先決條括先決條件和知識件和知識源題。源題。求解問題求解問題的推理機的推理機構，選擇構，選擇合適的知合適的知識源。識源。2021-10-221812.2.312.2.3黑板模型（二）黑板模型（二）在在hearsay中，黑板被分為六個信息層，中，黑板被分為六個信息層，每個信息層對應著問題的一個中間表示層次。每個信息層對應著問題的一個中間表示層次。六個信息層

12、分別為：六個信息層分別為： (1)參數層：從語音信號中提取有意義的參數。參數層：從語音信號中提取有意義的參數。有四種不同的參數，統稱為有四種不同的參數，統稱為zapdash參數。參數。(2)片段層：用于描述系統對語音信號的分割與片段層：用于描述系統對語音信號的分割與歸類。此層主要包含音素與單音等信息。歸類。此層主要包含音素與單音等信息。(3)音節層：用于描述語音信號的音節劃分。此音節層：用于描述語音信號的音節劃分。此層主要為由片段層上信息構成的音節信息。層主要為由片段層上信息構成的音節信息。2021-10-221912.2.312.2.3黑板模型（三）黑板模型（三）(4)單詞層：用于記錄根據音

13、節劃分所識別單詞層：用于記錄根據音節劃分所識別出的孤立詞信息。出的孤立詞信息。(5)詞組層：用于記錄根據單詞層中的詞匯詞組層：用于記錄根據單詞層中的詞匯所生成的詞組信息。所生成的詞組信息。(6)短語層：用于記錄多個詞匯或詞組構成短語層：用于記錄多個詞匯或詞組構成的短語和句子信息。的短語和句子信息。2021-10-2220第第1212章專家系統章專家系統12.112.1專家系統的概念專家系統的概念12.212.2專家系統的結構專家系統的結構12.312.3專家系統實例專家系統實例12.412.4專家系統設計與實現專家系統設計與實現12.512.5專家系統開發工具與環境專家系統開發工具與環境12.

14、612.6新一代專家系統研究新一代專家系統研究2021-10-222112.312.3專家系統實例專家系統實例12.3.1 prospector12.3.1 prospector的功能與結構的功能與結構12.3.2 12.3.2 知識表示知識表示12.3.3 12.3.3 主觀貝葉斯推理模型主觀貝葉斯推理模型12.3.4 12.3.4 控制策略控制策略12.3.5 12.3.5 解釋系統解釋系統2021-10-222212.3.1prospector12.3.1prospector的功能與結構的功能與結構(1)(1)prospector主要為地質勘探人員提供如下幫助：主要為地質勘探人員提供如下

15、幫助：（1）勘探評價；）勘探評價；（2）區域資源評價；）區域資源評價；（3 ）井位選擇。）井位選擇。2021-10-222312.3.1prospector12.3.1prospector的功能與結構的功能與結構(2)(2)作為人機接口負責接作為人機接口負責接受用戶輸入的命令，受用戶輸入的命令，并解釋命令。并解釋命令。負責理解用戶負責理解用戶用自然語言輸用自然語言輸入的信息，并入的信息，并將其轉化成匹將其轉化成匹配程序可以使配程序可以使用的語義網絡用的語義網絡形式。形式。進行概率傳播，實現進行概率傳播，實現系統的似然推理。系統的似然推理。負責向用戶提負責向用戶提問，要求用戶問，要求用戶輸入數據

16、。輸入數據。用于解答用戶詢問。用于解答用戶詢問。為在井位選擇推為在井位選擇推理網絡中傳播圖理網絡中傳播圖形信息，生成高形信息，生成高效代碼。效代碼。使用分類學詞典來使用分類學詞典來比較各個語義空間比較各個語義空間的關系，并把用戶的關系，并把用戶提供的信息加入推提供的信息加入推理網絡中，或檢查理網絡中，或檢查推理網絡的一致性。推理網絡的一致性。運行時可生成、運行時可生成、修改或保存推修改或保存推理網絡。理網絡。2021-10-222412.3.212.3.2知識表示（知識表示（1 1）知識庫有三級網絡組成：知識庫有三級網絡組成：（1）分類學網絡，來描述概念；）分類學網絡，來描述概念；（2）分塊語

17、義網絡，陳述；）分塊語義網絡，陳述；（3）推理網絡，描述推理規則。）推理網絡，描述推理規則。2021-10-222512.3.212.3.2知識表示（知識表示（2 2）圖中的四種弧線表示圖中的四種弧線表示:n1 n2：表示：表示n2是是n1的子集。的子集。n1 n2：表示：表示n2是是n1的元素，的元素， 和其他用和其他用ds的子集不相交。的子集不相交。n1 n2：表示：表示n2是是n1的子集。的子集。n1 n2：表示：表示n2是是n1的元素，的元素， 和其他用和其他用de的元素不相交。的元素不相交。sdsede2021-10-222612.3.212.3.2知識表示（知識表示（3 3）202

18、1-10-222712.3.212.3.2知識表示（知識表示（4 4）n每一個陳述都可以分解為若干個簡單斷言。所每一個陳述都可以分解為若干個簡單斷言。所謂簡單斷言指僅包含一個關系及其各參量的斷謂簡單斷言指僅包含一個關系及其各參量的斷言。圖言。圖89可分解為七個簡單斷言的集合：可分解為七個簡單斷言的集合： 1：存在一個實體：存在一個實體e1 2：e1的成分是角閃石的成分是角閃石 3：存在一個實體：存在一個實體e2 4：e2的成分是黑云母的成分是黑云母 5：存在一個過程：存在一個過程p12021-10-222812.3.212.3.2知識表示（知識表示（5 5）3.推理網絡推理網絡 在在prosp

19、ector中，判斷性知識用規則表中，判斷性知識用規則表示。每條規則的形式如下：示。每條規則的形式如下： eh(ls，ln) 推理網絡中每條規則的推理網絡中每條規則的ls、ln及每個語義及每個語義空間空間h的的p(h)均由領域專家在建造知識庫時提均由領域專家在建造知識庫時提供。供。 除了表示規則的弧外，推理網絡中還有代除了表示規則的弧外，推理網絡中還有代表先后順序的弧表先后順序的弧(用虛線表示，見圖用虛線表示，見圖8-10)，其其意義如下：意義如下： 2021-10-222912.3.212.3.2知識表示（知識表示（6 6） ：只有當：只有當p(e 1|s)p(e 1)時，才考慮時，才考慮e2

20、 ；只有；只有p(e 1 |s)p(e 1)時，才考慮時，才考慮e2 ：只有：只有p(e 1 |s)p(e 1)時，才考慮時，才考慮e2 ： e2 :僅指明考慮僅指明考慮e2之之前先考慮前先考慮e 10,512ee 5,512ee 5,012ee 2,212ee 圖8-108-11 知識庫中三種網絡的關系 2021-10-223212.3.4 12.3.4 控制策略控制策略(1)(1)n正向推理正向推理n主動式推理主動式推理n反向推理反向推理2021-10-223312.3.4 12.3.4 控制策略控制策略(2)(2)1.正向推理正向推理 prospector的正向推理實際上就是概的正向推理

21、實際上就是概率傳播，它由傳播程序完成。每當用戶輸入一率傳播，它由傳播程序完成。每當用戶輸入一個證據個證據e及其后驗概率及其后驗概率p(e|s)，傳播程序就利，傳播程序就利用主觀用主觀bayesian方法，將方法，將p(e|s)的影響沿推的影響沿推理網絡傳播，修改更高層次上語義空間的后驗理網絡傳播，修改更高層次上語義空間的后驗概率，直至將概率，直至將p(e|s)的影響傳至頂層空間。的影響傳至頂層空間。傳播程序傳播后驗概率的方法如前所述。傳播程序傳播后驗概率的方法如前所述。2021-10-223412.3.4 12.3.4 控制策略控制策略(3)(3)2.主動式推理主動式推理 咨詢開始時，用戶可根

22、據自己的觀察咨詢開始時，用戶可根據自己的觀察為系統提供信息。為系統提供信息。prospector在這在這方面為用戶提供了很大的靈活性，用戶方面為用戶提供了很大的靈活性，用戶不僅可以輸入有關可問空間的信息，還不僅可以輸入有關可問空間的信息，還可以輸入關于推理網可以輸入關于推理網絡任意層次上的假絡任意層次上的假設空間的信息。這種方法有利于充分發設空間的信息。這種方法有利于充分發揮用戶的作用，加快推理速度。揮用戶的作用，加快推理速度。2021-10-223512.3.4 12.3.4 控制策略控制策略(4)(4)3.反向推理反向推理 當正向推理（概率傳播）結束后，如果系統當正向推理（概率傳播）結束后

23、，如果系統已能確定存在某種礦藏，則輸出結果已能確定存在某種礦藏，則輸出結果;否則進否則進入反向推理過程。反向推理由提問系統負責，入反向推理過程。反向推理由提問系統負責，它為斷定某種礦藏的成礦可能性尋求有關的數它為斷定某種礦藏的成礦可能性尋求有關的數據。因此反向推理實際上要完成兩個任務：據。因此反向推理實際上要完成兩個任務： (1)應優先考慮哪個頂層假設，這主要根據應優先考慮哪個頂層假設，這主要根據評判函數評判函數jh來選擇來選擇; (2)應向用戶詢問哪個空間，這主要根據評應向用戶詢問哪個空間，這主要根據評判函數判函數j*來選擇。來選擇。 2021-10-223612.3.412.3.4解釋系統

24、解釋系統 prospector的解釋系統可以為的解釋系統可以為用戶提供幾種不同類型的解釋。最簡單用戶提供幾種不同類型的解釋。最簡單的一種是允許系統在咨詢的任何時刻檢的一種是允許系統在咨詢的任何時刻檢查推理網絡中某個語義空間的后驗概率。查推理網絡中某個語義空間的后驗概率。其次解釋系統可以向用戶顯示推斷某一其次解釋系統可以向用戶顯示推斷某一結論所使用的規則。用戶還可以檢查某結論所使用的規則。用戶還可以檢查某一數據對推理網絡中任一特定一數據對推理網絡中任一特定空間概率空間概率的影響。的影響。2021-10-2237第第1212章專家系統章專家系統12.112.1專家系統的概念專家系統的概念12.21

25、2.2專家系統的結構專家系統的結構12.312.3專家系統實例專家系統實例12.412.4專家系統設計與實現專家系統設計與實現12.512.5專家系統開發工具與環境專家系統開發工具與環境12.612.6新一代專家系統研究新一代專家系統研究2021-10-2238 12.4 12.4專家系統設計與實現專家系統設計與實現 12.4.1 一般步驟與方法一般步驟與方法 由于專家系統也是一種計算機應用系統，由于專家系統也是一種計算機應用系統，所以，一般說來，其開發過程也要遵循軟件工所以，一般說來，其開發過程也要遵循軟件工程的步驟和原則，即也要進行系統分析、系統程的步驟和原則，即也要進行系統分析、系統設計

26、等幾個階段的工作。但又由于它是專家系設計等幾個階段的工作。但又由于它是專家系統，而不是一般的軟件系統，所以，又有其獨統，而不是一般的軟件系統，所以，又有其獨特的地方。如果我們僅就特的地方。如果我們僅就“純專純專家系統家系統”而言，而言，則其設計與實現的一般步驟可如圖則其設計與實現的一般步驟可如圖813所示。所示。 圖1212 建立專家系統的一般步驟 2021-10-2240 由圖由圖813可以看出，專家系統的開發有如下特點：可以看出，專家系統的開發有如下特點： (1)知識獲取與知識表示設計是一切工作的起點；知識獲取與知識表示設計是一切工作的起點； (2)知識表示以及知識描述語言確定后，各項設計

27、（圖知識表示以及知識描述語言確定后，各項設計（圖中并列的六個設計）可同時進行。中并列的六個設計）可同時進行。 還需說明的是：還需說明的是： (1)對于一個實際的專家系統，在系統分析階段就應對于一個實際的專家系統，在系統分析階段就應該首先弄清楚：系統中哪里需要專家知識，專家知識該首先弄清楚：系統中哪里需要專家知識，專家知識的作用是什么？以及系統中各專家模塊的輸入是什么？的作用是什么？以及系統中各專家模塊的輸入是什么？處理是什么？輸出又是什么？處理是什么？輸出又是什么？12.4.112.4.1一般步驟與方法一般步驟與方法2021-10-2241 (2)系統投入運行后，一般來說，其知識庫還需不系統投

28、入運行后，一般來說，其知識庫還需不斷擴充、更新、完善和優化。所以專家系統的開發更斷擴充、更新、完善和優化。所以專家系統的開發更適合采用快速原型法。適合采用快速原型法。 (3)對系統的評價主要看它解決問題是否達到專家水對系統的評價主要看它解決問題是否達到專家水平。平。 (4)上述的所謂上述的所謂“純專家系統純專家系統”就是一個實際專家系就是一個實際專家系統中的專家模塊部分。那么，對于系統其他部分的分統中的專家模塊部分。那么，對于系統其他部分的分析與設計，原則上講，與一般計算機應用系統完全一析與設計，原則上講，與一般計算機應用系統完全一樣，即可按軟件工程規范和程序進行。樣，即可按軟件工程規范和程序

29、進行。12.4.112.4.1一般步驟與方法一般步驟與方法2021-10-2242 所謂快速原型與增量式開發，就是在開發一個大所謂快速原型與增量式開發，就是在開發一個大型軟件系統之前，先盡快地建立一個簡單的小型的系型軟件系統之前，先盡快地建立一個簡單的小型的系統統“模型模型”稱之為系統原型；然后，對原型進行擴稱之為系統原型；然后，對原型進行擴充，即在原型的基礎上進行地繼續開發，即增量式開充，即在原型的基礎上進行地繼續開發，即增量式開發，這樣像滾雪球似地直至完成整個系統。快速原型發，這樣像滾雪球似地直至完成整個系統。快速原型法的優點是，利用系統原型，開發者可以更好地分析法的優點是，利用系統原型，

30、開發者可以更好地分析和理解系統；用戶也能盡快地看到系統的概貌，以便和理解系統；用戶也能盡快地看到系統的概貌，以便及早地反饋有關信息，使后面的工作少走彎路；同時，及早地反饋有關信息，使后面的工作少走彎路；同時，也方便了開發者和用戶的相互交流。也方便了開發者和用戶的相互交流。12.4.212.4.2快速原型與增量式開發快速原型與增量式開發2021-10-2243 知識獲取是建造專家系統的關鍵一步，也是較為知識獲取是建造專家系統的關鍵一步，也是較為困難的一步，被稱為建造專家系統的困難的一步，被稱為建造專家系統的“瓶頸瓶頸”。知識。知識獲取大體有三種途徑。獲取大體有三種途徑。 1.人工獲取人工獲取 人

31、工獲取，即計算機人員（或知識工程師）與領人工獲取，即計算機人員（或知識工程師）與領域專家合作，對有關領域知識和專家知識，進域專家合作，對有關領域知識和專家知識，進行挖掘、行挖掘、搜集、分析、綜合、整理、歸納，然后以某種表示形搜集、分析、綜合、整理、歸納，然后以某種表示形式存入知識庫。式存入知識庫。 12.4.312.4.3 知識獲取知識獲取2021-10-2244 2.半自動獲取半自動獲取 半自動獲取，即利用某種專門的知識獲取系統，半自動獲取，即利用某種專門的知識獲取系統，采取提示、指導或問答的方式，幫助專家提取、歸納采取提示、指導或問答的方式，幫助專家提取、歸納有關知識，并自動記入知識庫。有

32、關知識，并自動記入知識庫。 3.自動獲取自動獲取 自動獲取又可分為兩種形式：一種是系統本身具自動獲取又可分為兩種形式：一種是系統本身具有一種機制，使得系統在運行過程中能不斷地總結經有一種機制，使得系統在運行過程中能不斷地總結經驗，并修改和擴充自己的知識庫；另一種是開發專門驗，并修改和擴充自己的知識庫；另一種是開發專門的機器學習系統，讓機器自動從實際問題中獲取知識，的機器學習系統，讓機器自動從實際問題中獲取知識，并填充知識庫。并填充知識庫。12.4.3 12.4.3 知識獲取知識獲取2021-10-2245 知識表示與知識描述語言設計是根據所獲得知識知識表示與知識描述語言設計是根據所獲得知識的特

33、點，選擇或設計某種知識表示形式，并為這種表的特點，選擇或設計某種知識表示形式，并為這種表示形式設計相應的知識描述語言。所謂知識描述語言，示形式設計相應的知識描述語言。所謂知識描述語言，就是知識的具體語法結構形式。所以，知識描述語言就是知識的具體語法結構形式。所以，知識描述語言既要面向人、面向用戶，又要面向知識表示、面向機既要面向人、面向用戶，又要面向知識表示、面向機器，還要面向推理、面向知識運用。這就要求知識描器，還要面向推理、面向知識運用。這就要求知識描述語言既能為用戶提供一種方便、易懂的外部知識表述語言既能為用戶提供一種方便、易懂的外部知識表達形式，又能將這種外部表示轉換成容易存儲、管理、

34、達形式，又能將這種外部表示轉換成容易存儲、管理、運用的內部形式。運用的內部形式。12.4.412.4.4 知識表示與知識描述語言設計知識表示與知識描述語言設計2021-10-2246 知識庫是專家系統的核心。知識庫的質量直接關知識庫是專家系統的核心。知識庫的質量直接關系到整個系統的性能和效率。因此，知識庫涉及知識系到整個系統的性能和效率。因此，知識庫涉及知識的組織與管理。知識的組織決定了知識庫的結構，知的組織與管理。知識的組織決定了知識庫的結構，知識的管理包括知識庫的建立、刪除、重組及維護和知識的管理包括知識庫的建立、刪除、重組及維護和知識的錄入、查詢、更新、優化等，還有知識的完整性、識的錄入

35、、查詢、更新、優化等，還有知識的完整性、一致性、冗余性檢查和安全保護等方面的工作。知識一致性、冗余性檢查和安全保護等方面的工作。知識管理由知識庫管理系統負責。管理由知識庫管理系統負責。 12.4.5 12.4.5 知識庫與知識庫管理系統設計知識庫與知識庫管理系統設計2021-10-2247 1.知識庫設計知識庫設計 知識庫設計主要是設計知識庫的結構，即知識的知識庫設計主要是設計知識庫的結構，即知識的組織形式。專家系統（或知識工程）中所涉及的知識組織形式。專家系統（或知識工程）中所涉及的知識庫，一般取層次結構或網狀結構模式。這種結構模式庫，一般取層次結構或網狀結構模式。這種結構模式是把知識按某種

36、原則進行分類，然后分塊分層組織存是把知識按某種原則進行分類，然后分塊分層組織存放，如按元知識、專家知識、領域知識等分層組織；放，如按元知識、專家知識、領域知識等分層組織；而每一塊和每一層還可以再分塊分層。這樣，整個知而每一塊和每一層還可以再分塊分層。這樣，整個知識庫就呈樹型或網狀結構。例如，圖識庫就呈樹型或網狀結構。例如，圖814所示的就所示的就是一個醫療診斷知識庫的層次結構。是一個醫療診斷知識庫的層次結構。12.4.512.4.5知識庫與知識庫管理系統設計知識庫與知識庫管理系統設計圖1214 醫療診斷知識庫層次結構 醫療診斷知識庫消化系統知識庫呼吸系統知識庫肝病知識庫胃病知識庫2021-10

37、-2249 2.知識庫管理系統設計知識庫管理系統設計 知識庫管理系統應包括知識一級和知識庫一級的知識庫管理系統應包括知識一級和知識庫一級的各種管理功能。各種管理功能。 1)知識操作功能設計知識操作功能設計 知識操作功能包括知識的添加、刪除、修改、查知識操作功能包括知識的添加、刪除、修改、查詢和統計等。這些功能可采用兩種方法來實現。一種詢和統計等。這些功能可采用兩種方法來實現。一種方法就是利用屏幕窗口，通過人機對話方式實現知識方法就是利用屏幕窗口，通過人機對話方式實現知識的增、刪、改、的增、刪、改、 查等；另一種方法就是用全屏幕編輯查等；另一種方法就是用全屏幕編輯方式，讓用戶直接用鍵盤按知識描述

38、語言的語法格式方式，讓用戶直接用鍵盤按知識描述語言的語法格式編輯知識。編輯知識。12.4.512.4.5 知識庫與知識庫管理系統設計知識庫與知識庫管理系統設計2021-10-2250 2)知識檢查功能設計知識檢查功能設計 知識檢查包括知識的一致性、完整性、冗余性等知識檢查包括知識的一致性、完整性、冗余性等檢查。檢查。 所謂知識的一致性，就是知識庫中的知識必須是所謂知識的一致性，就是知識庫中的知識必須是相容的，即無矛盾。例如，下面的兩條規則相容的，即無矛盾。例如，下面的兩條規則 r1:if p thenq r2:if p thenq 就是矛盾的。那么，像這樣的規則就不能同時存就是矛盾的。那么，像

39、這樣的規則就不能同時存在于一個知識庫中。在于一個知識庫中。12.4.512.4.5知識庫與知識庫管理系統設計知識庫與知識庫管理系統設計2021-10-2251 所謂完整性，是指知識中的約束條所謂完整性，是指知識中的約束條件，稱為完整性約束。例如，小王的身件，稱為完整性約束。例如，小王的身高高x米，則必須滿足：米，則必須滿足：x3米；又如，弟米；又如，弟弟今年弟今年x歲，哥哥今年歲，哥哥今年y歲，則必須滿足歲，則必須滿足xy。否則就破壞了知識的完整性。否則就破壞了知識的完整性。12.4.512.4.5 知識庫與知識庫管理系統設計知識庫與知識庫管理系統設計2021-10-2252 所謂冗余性，就是

40、重復、多余等。所謂冗余性，就是重復、多余等。冗余性檢查就是檢查知識庫中的知識是冗余性檢查就是檢查知識庫中的知識是否存在冗余。也就是要求不能存在冗余。否存在冗余。也就是要求不能存在冗余。冗余的表現有重復、包含、環路等現象。冗余的表現有重復、包含、環路等現象。例如，下面的三條規則：例如，下面的三條規則： r1:if p then q r2:if q then r r3:if p then r 12.4.512.4.5 知識庫與知識庫管理系統設計知識庫與知識庫管理系統設計2021-10-2253 3) 知識庫操作設計知識庫操作設計 知識庫操作包括知識庫（文件）的建立、刪除、知識庫操作包括知識庫（文件

41、）的建立、刪除、分解、合并等。這里著重要說明的是知識庫的分解與分解、合并等。這里著重要說明的是知識庫的分解與合并。這兩種功能類似于關系數據庫的投影、選擇和合并。這兩種功能類似于關系數據庫的投影、選擇和連接操作，它們實現的是知識庫的重組。我們說，知連接操作，它們實現的是知識庫的重組。我們說，知識庫的重組也是可能甚至是必要的。因為隨著系統的識庫的重組也是可能甚至是必要的。因為隨著系統的運行，可能會發現原先的知識組合不合理，因此就需運行，可能會發現原先的知識組合不合理，因此就需要重新組合，這時就需要使用知識庫的分解與合并功要重新組合，這時就需要使用知識庫的分解與合并功能。能。12.4.512.4.5

42、知識庫與知識庫管理系統設計知識庫與知識庫管理系統設計2021-10-22541.從哪里著手從哪里著手 ; 推理機是與知識庫對應的專家系統的另一重要部推理機是與知識庫對應的專家系統的另一重要部件。推理機的推理是基于知識庫中的知識進行的。所件。推理機的推理是基于知識庫中的知識進行的。所以，推理機就必須與知識庫及其知識相適應、相配套。以，推理機就必須與知識庫及其知識相適應、相配套。具體來講，就是推理機必須與知識庫的結構、層次以具體來講，就是推理機必須與知識庫的結構、層次以及其中知識的具體表示形式等相協調、相匹配。及其中知識的具體表示形式等相協調、相匹配。否則，否則，推理機與知識庫將無法接軌。因此，設

43、計推理機時，推理機與知識庫將無法接軌。因此，設計推理機時，首先得對知識庫有所了解。首先得對知識庫有所了解。 12.4.612.4.6 推理機與解釋功能設計推理機與解釋功能設計2021-10-2255 2. 還應考慮些什么還應考慮些什么 對推理機本身而言，還要考慮推理的方式、方法對推理機本身而言，還要考慮推理的方式、方法和控制策略等。例如，對于推理方式，是正向推理，和控制策略等。例如，對于推理方式，是正向推理，還是反向推理或雙向推理？是精確推理，還是不精確還是反向推理或雙向推理？是精確推理，還是不精確推理？是串行推理，還是并行推理？是單調推理，還推理？是串行推理，還是并行推理？是單調推理，還是非

44、單調推理？又如，對于推理方法，是用歸結法，是非單調推理？又如，對于推理方法，是用歸結法，還是用自然演繹法？對于不精確推理采用什么樣的推還是用自然演繹法？對于不精確推理采用什么樣的推理模型？還有，對于搜索控制，是采用深度優先還是理模型？還有，對于搜索控制，是采用深度優先還是廣度優先，對于沖突消解是依據優先數，還是可信度廣度優先，對于沖突消解是依據優先數，還是可信度或程度（即隸屬度）等等。或程度（即隸屬度）等等。12.4.612.4.6 推理機與解釋功能設計推理機與解釋功能設計2021-10-2256 3. 算法設計與程序設計算法設計與程序設計 做了上述的分析以后，就可著手設計推理機的算做了上述的

45、分析以后，就可著手設計推理機的算法了。對于一個基于規則的系統來說，其推理機也就法了。對于一個基于規則的系統來說，其推理機也就相當于產生式系統中的執行控制部件，所以其運行過相當于產生式系統中的執行控制部件，所以其運行過程也就是產生系統的運行過程，因此，前面產生式系程也就是產生系統的運行過程，因此，前面產生式系統所采用的算法，或者圖搜索中所用的算法也就是這統所采用的算法，或者圖搜索中所用的算法也就是這里的推理機所用的算法。算法確定后，就可進行程序里的推理機所用的算法。算法確定后，就可進行程序設計。至于推理機用何種程序語言實現，這個并無什設計。至于推理機用何種程序語言實現，這個并無什么限制，如可以用

46、傳統的么限制，如可以用傳統的lisp或或prolog語言，也用語言，也用當前流行的當前流行的c或或c+語言。語言。12.4.612.4.6 推理機與解釋功能設計推理機與解釋功能設計2021-10-2257 4. 解釋機制如何實現解釋機制如何實現 另外，在推理機的設計中還得考慮解釋另外，在推理機的設計中還得考慮解釋機制。因為專家系統一般要求要有解釋功能。機制。因為專家系統一般要求要有解釋功能。即在推理中要能回答用戶即在推理中要能回答用戶“為什么為什么”的問題，的問題，在推理結束后，要能回答在推理結束后，要能回答“怎么樣（得到結怎么樣（得到結果）果）”的問題。從系統的結構上講，一般是把的問題。從系

47、統的結構上講，一般是把解釋作為一個獨立的模塊，但實際上解解釋作為一個獨立的模塊，但實際上解釋功能釋功能也是與推理機密切相關的。因為要解釋就必須也是與推理機密切相關的。因為要解釋就必須對推理進行實時跟蹤。對推理進行實時跟蹤。 12.4.612.4.6 推理機與解釋功能設計推理機與解釋功能設計2021-10-2258 系統構成技術被稱為人工智能的三大技術之一。系統構成技術被稱為人工智能的三大技術之一。所以，對一個專家系統來說，其體系結構就顯得非常所以，對一個專家系統來說，其體系結構就顯得非常重要。重要。 雖然從原理來講，專家系統由知識庫、推理機等雖然從原理來講，專家系統由知識庫、推理機等部分組成，

48、但由于受問題領域、系統規模、知識表示部分組成，但由于受問題領域、系統規模、知識表示方法、知識庫結構以及其他特殊性等諸多因素的影響，方法、知識庫結構以及其他特殊性等諸多因素的影響，故專家系統的體系結構難以形成固定的模式。一般來故專家系統的體系結構難以形成固定的模式。一般來講，有諸如獨立式（一個講，有諸如獨立式（一個“純純”專家模塊）、混專家模塊）、混合式合式（還有其他處理模塊）、集中式、分布式、層次式以（還有其他處理模塊）、集中式、分布式、層次式以及及“黑板模型黑板模型”等。等。 12.4.712.4.7 系統結構設計系統結構設計2021-10-2259 人機界面對于一個實用專家系統人機界面對于

49、一個實用專家系統(特別是咨詢型知特別是咨詢型知識系統識系統)來說至關重要。一個專家系統一般有兩個人機來說至關重要。一個專家系統一般有兩個人機界面：一個是面向系統開發和維護者的；一個是面向界面：一個是面向系統開發和維護者的；一個是面向最終使用者的。前一個界面由開發工具提供；后一個最終使用者的。前一個界面由開發工具提供；后一個則是專家系統自身的一部分。由于圖形用戶界面則是專家系統自身的一部分。由于圖形用戶界面(gui)的廣泛使用，所以目前專家系統的開發界面已達到相的廣泛使用，所以目前專家系統的開發界面已達到相當高的水平。而專家系統的使用界面相對還比較落后。當高的水平。而專家系統的使用界面相對還比較

50、落后。這是因為，使用界面往往要涉及這是因為，使用界面往往要涉及“人機對話人機對話”，如人，如人對系統的對系統的詢問、系統對人的回答，特別是系統對用戶詢問、系統對人的回答，特別是系統對用戶的解釋。的解釋。 12.4.812.4.8 人機界面設計人機界面設計2021-10-2260第第1212章專家系統章專家系統12.112.1專家系統的概念專家系統的概念12.212.2專家系統的結構專家系統的結構12.312.3專家系統實例專家系統實例12.412.4專家系統設計與實現專家系統設計與實現12.512.5開發工具與環境開發工具與環境12.612.6新一代專家系統研究新一代專家系統研究2021-10

51、-226112.5.1 12.5.1 專家系統開發工具專家系統開發工具 迄今已有數以百計的各種各樣的專家系統開發工迄今已有數以百計的各種各樣的專家系統開發工具投入使用。它們大致可分為以下幾類。具投入使用。它們大致可分為以下幾類。 1.面向面向ai的程序設計語言的程序設計語言 面向面向ai的程序設計語言包括的程序設計語言包括lisp、prolog等。等。由于這些語言與領域無關，所以它們的通用性強，且由于這些語言與領域無關，所以它們的通用性強，且使用靈活，限制少，用戶能使用靈活，限制少，用戶能“隨心所欲隨心所欲”地設計自己地設計自己的系統。但由于一切皆要的系統。但由于一切皆要“從頭做起從頭做起”，

52、故開發周期，故開發周期長、效率低。長、效率低。2021-10-2262 2. 知識表示語言知識表示語言 這是針對知識工程發展起來的程序這是針對知識工程發展起來的程序設計語言，因此也稱知識工程語言。這設計語言，因此也稱知識工程語言。這些語言并不與具體的體系和范例有緊密些語言并不與具體的體系和范例有緊密聯系，也不局限于實現任一特殊的控制聯系，也不局限于實現任一特殊的控制策略，因而便于實現較廣泛的問題。策略，因而便于實現較廣泛的問題。12.6.1 12.6.1 專家系統開發工具專家系統開發工具2021-10-2263 3.外殼系統外殼系統 外殼系統亦稱為骨架外殼系統亦稱為骨架(frame)，這種工具

53、通常提，這種工具通常提供知識獲取模塊、推理機制、解釋功能等，只要加上領供知識獲取模塊、推理機制、解釋功能等，只要加上領域專門知識，即建立起知識庫就可以構成一個專家系統。域專門知識，即建立起知識庫就可以構成一個專家系統。這類系統典型的代表有這類系統典型的代表有emycin、kas和和expert等。等。國內也開發出了不少這類工具系統。顯然，使用這種工國內也開發出了不少這類工具系統。顯然，使用這種工具，開發效率最高，但限制也更多，靈活性最差。具，開發效率最高，但限制也更多，靈活性最差。 12.6.1 12.6.1 專家系統開發工具專家系統開發工具2021-10-2264 4.組合式構造工具組合式構

54、造工具 這種工具向用戶提供多種知識表示這種工具向用戶提供多種知識表示方法和多個推理控制機構，使用戶可以方法和多個推理控制機構，使用戶可以選擇各種組成部件，非常方便地進行組選擇各種組成部件，非常方便地進行組合，來設計、建造自己所需的專家系統。合，來設計、建造自己所需的專家系統。這類系統的典型代表有這類系統的典型代表有age等。等。12.6.1 12.6.1 專家系統開發工具專家系統開發工具2021-10-2265 5.專家系統工具專家系統工具est 筆者也曾研制了一個通用專家系統開發筆者也曾研制了一個通用專家系統開發工具，稱為工具，稱為est。est的核心是專家系統設計的核心是專家系統設計語言語

55、言esl。esl是融過程性和描述性于一體，是融過程性和描述性于一體，把知識推理同其他數據處理相結合，模塊化的把知識推理同其他數據處理相結合，模塊化的程序設計語言。具體來講，程序設計語言。具體來講，esl是將人工智能是將人工智能的自動推理和搜索等功能嵌套于過程性語言之的自動推理和搜索等功能嵌套于過程性語言之中，而中，而esl的語句和所處理的知識的語句和所處理的知識(事實和規則事實和規則)本身又都是用一階本身又都是用一階謂詞描述的。謂詞描述的。 12.6.1 12.6.1 專家系統開發工具專家系統開發工具2021-10-2266 下面就是一個用下面就是一個用est開發的一個小型專家系統示例：開發的

56、一個小型專家系統示例：work(main): 主程序主程序 make window(1,117,0,d,3,10,4,30),nl,定義主窗口定義主窗口 write(微機故障診斷專家系統微機故障診斷專家系統),nl,nl, make window(2,27,0,a,9,40,1,16) read char(-), dialog(yes), 開人機對話開人機對話 meta kb(kb0), 將元知識調入內存將元知識調入內存 goal trouble(y), 推理目標推理目標 reasoning(backward), 啟動反向推理機啟動反向推理機12.6.1 12.6.1 專家系統開發工具專家系統

57、開發工具2021-10-2267show conclusion, 顯示結論顯示結論clear window,write(解釋否解釋否(y/n)?),read char(c),if c=ythen explain 給出解釋給出解釋else write(),clear memory,clear window. 運行結束運行結束,清屏清屏 12.6.1 12.6.1 專家系統開發工具專家系統開發工具2021-10-2268 隨著專家系統技術的普及與發展，人們對開發工具隨著專家系統技術的普及與發展，人們對開發工具的要求也越來越高。一個好的專家系統開發工具應向的要求也越來越高。一個好的專家系統開發工具應

58、向用戶提供多方面的支持，包括從系統分析、知識獲取、用戶提供多方面的支持，包括從系統分析、知識獲取、程序設計到系統調試與維護的一條龍的服務。于是，程序設計到系統調試與維護的一條龍的服務。于是，專家系統開發環境便應運而生。專家系統開發環境就專家系統開發環境便應運而生。專家系統開發環境就是集成化了的專家系統開發工具包。提供的功能主要是集成化了的專家系統開發工具包。提供的功能主要有：有： (1)多種知識表示：至少提供兩、三種以上知識多種知識表示：至少提供兩、三種以上知識表示，如邏輯、框架、對象、過程等。表示，如邏輯、框架、對象、過程等。12.6.2 12.6.2 專家系統開發環境專家系統開發環境202

59、1-10-2269 (2)多種不精確推理模型：即提供多種不精確推理模多種不精確推理模型：即提供多種不精確推理模型，可供用戶選用。最好還留有用戶自定義接口。型，可供用戶選用。最好還留有用戶自定義接口。 (3)多種知識獲取手段：除了必需的知識編輯工具外，多種知識獲取手段：除了必需的知識編輯工具外，還應有自動知識獲取即機器學習功能，以及知識求精手還應有自動知識獲取即機器學習功能，以及知識求精手段。段。 (4)多樣的輔助工具：包括數據庫訪問、電子表格、作多樣的輔助工具：包括數據庫訪問、電子表格、作圖等工具。圖等工具。 (5)多樣的友好用戶界面：包括開發界面和專家系統產多樣的友好用戶界面：包括開發界面和

60、專家系統產品的用戶界面，應該是多媒體的，并且有自然語言接口。品的用戶界面，應該是多媒體的，并且有自然語言接口。n (6)廣泛的適應性：能滿足多種應用領域的特殊需求，廣泛的適應性：能滿足多種應用領域的特殊需求，具有很好的通用性具有很好的通用性。12.6.2 12.6.2 專家系統開發環境專家系統開發環境2021-10-2270第第1212章專家系統章專家系統12.112.1專家系統的概念專家系統的概念12.212.2專家系統的結構專家系統的結構12.312.3專家系統實例專家系統實例12.412.4專家系統設計與實現專家系統設計與實現12.512.5開發工具與環境開發工具與環境12.612.6新