1、第六章專家系統6.1專家系統介紹z什么是專家系統 專家系統處理現實世界中提出的需要由專家來分擠和判斷的復雜問題。 專家系統利用專家推理方法的計算機模型來解決問題，并且如果專家系統所要解決的問題和專家要解決的問題可相比較的話，專家系統應該得到和專家相同的結論。z為什么要建立專家系統 為了傳播珍貴的成本高的專門知識。 使專家知識形式化。 匯集各種來源的知識。z專家系統的組成 知識庫 存儲從專家那里得到的關于某個領域的專門知識。 推理機 具有進行推理的能力，即能夠根據知識推導出結論，而不是簡單的去搜索現成的答案。知識庫推理機專家輸入答案專家系統的組成知識庫推理機專家輸入答案專家系統的組成知識庫解釋機

2、制專家用戶數據庫推理機知識獲取人機界面z建立專家系統的過程 知識獲取:知識獲取就是把解決問題所用的專門知識從某些知識來源變換為計算機程序?？赡艿闹R來源包括專家、教科書、資料庫以及工程師自己的經驗。知識獲取是由知識工程師來完成的。由于專家所掌握的知識和能存儲于計算機的知識形式之間通常存在較大的差別，所以，要建立一個成功的專家系統，知識工程師與專家之間要多次相互交換意見，以使知識庫能正確地反映專家的知識。除此以外，知識工程師還要選擇推理方法。知識獲取是建立專家系統過程中最為困難的階段之一。 知識表達方法的選擇: 經過多次和專家交談以及閱讀有關資料，知識工程師逐漸熟悉這個專門領域中的專門知識以后，

3、就可以選擇合適的知識表達方法。所選擇的知識表達方法應該具有以下兩個性質：(1)具有表達專家知識的能力；(2)能簡單和方便地描述、修改和解釋系統中的知識。能方便地修改知識這一點，在選擇知識表達方法中是很重要的。因為專家在描述模型時經常改變，特別在描述模型的初期更是如此。要適應這種情況，靈活性是很基本的。此外還需要在以計算機表達知識的方便性和結構的復雜性之間加以平衡。 專家系統的建立: 要成功地建立一個專家系統的關鍵是從一個較小的系統開始，然后逐漸地擴大成一個具有相當規模的可以進行試驗的系統。在系統的改進過程中，必須不斷地進行實驗驗證。建立專家系統，可以粗略地分成以下幾個步驟。y (1)知識庫初步

4、設計；包括(a)問題定義：規定目標、約束、知識來源、參加者以及他們的作用。(b)概念化；詳細敘述問題如何分解成子問題；從假設、數據、中間推理、概念等方面來說明每個子問題的組成；這些概念對執行過程的影響。(c)問題的計算機表達。y(2)原型的發展和試驗：一旦選定了知識表達方法，我們就可以著手執行整個系統所需知識的原型子集。這個子集的選擇是關鍵性的。它必須包括有代表性的知識樣本，這些知識樣本對整個模型來說是有典型意義的，同時又必須只涉及對試驗是足夠簡單的子任務和推理過程。一旦原型產生了可接受的推理，這個原型就要擴展以包括它必須解釋的各種更為詳細的問題。 y(3)知識庫的改進和推廣：用更復雜的情況來

5、進行試驗。這些試驗的結果一定會對問題的基本組成以及它們之間的關系作出許多調整。如果要達到專家那樣很高的水平，這個階段將要化費相當長的時間z專家系統設計工具 骨架系統: EMYCIN (得自MYCIN)，KAS(得自 PROSPECTOR)，EXPERT(得自CASNSET)等。 通用型專家系統開發工具：OPS是美國卡內基-梅隆大學的J.McDermott、A.Newell等人用LISP語言研制的一個基于規則的通用型專家系統開發工具。OPS由產生式規則庫、推理機及綜合數據庫三部分組成。專家系統的開發者按系統規定的形式建立規則，推理機根據規則進行正向推理。 程序設計語言：C,PASCAL,ADA,

6、LISP,PROLOG6.2專家系統設計工具z骨架系統又稱為專家系統外殼，是將一些已成熟的專家系統中的具體知識抽去，保留其體系結構和功能（知識表示方式、推理機制等）而得到的。只要將相應領域的專家知識用外殼規定的模式表示并放入知識庫就可以快速地產生一個新的專家系統。 問題：(1)原來系統的結構可能不適合于新的任務。(2)推理過程中體現的控制結構和新專家的解決問題方法不匹配。(3)原來的規則表達方式不適合新任務。(4)在原來的系統中，可能以未被認識的方式藏有該任務的專門知識。 EXPERT是幾種專家系統設計工具中比較簡單的一種，它適合于開發咨詢類型的專家系統。除了在醫療領域以外，在化學、油井數據分

7、析、汽車修理等其他領域里也已利用EXPERT開發了一些實驗性系統。在咨詢問題中最適合于EXPERT的是分類問題。分類問題具有預先確定的、可能出現的結論表，程序就從這個表中選取結論。 6.3 舉例 汽車維修咨詢系統 z專家知識的描述 三個表達成分：假設或結論，觀測或觀察，推理或決策規則。 觀測和假設之間是嚴格區分的，觀測是觀察或量測，它的值可以是“真(T)”，“假(F)”，數字或“不知道”等形式；假設是由系統可能推理得到的結論。通常假設附有不確定性的量度。推理或決策規則表示成產生式規則。 結論(假設或由系統可能推理得到的結論)的表示 。這些結論規定了所涉及的專門知識的范圍。例如，在醫療系統中，這

8、些結論可能是診斷或對治療方法的建議。 取決于所作的觀察或量測，一個假設可能附有不同程度的不確定性。在EXPERT中，每個假設用簡寫的助記符號和用自然語言寫的正式的說明語句來表示。 有關汽車修理問題的假設（結論）：FLOOD 汽缸里的汽油過多，阻礙了點火，簡稱為汽缸被淹CHOKE 汽門堵塞EMPTY 無燃料FILT 燃料過濾器阻塞CAB 電池電纜松脫或銹蝕BATD 蓄電池耗盡STRTR 啟動器工作不正常 中間假設y設計過程中的一個主要目標是總結出專家的推理過程，故要表示推理過程中的中間假設或結論。通常中間假設或結論是許多有關量測的總結，或者就是某個重要證據的定性概括。利用這些定義的中間假設和結論

9、可以使推理過程更為清楚和有效。例如，可能有許多種燃料系統方面的問題，可以建立一個中間假設FUEL來概括燃料系統出現的各種問題。在所討論的例子中，被定義的中間假設除了FUEL以外還有表示電氣系統方面問題的ELEC:FUEL 燃料系統方面的問題ELEC 電氣系統方面的問題y一些附加的假設可表示建議的種類，這些建議將告訴使用者應采取什么操作。例如：處理方法WAIT 等待10分鐘或在啟動時把風門踏板踩到最低位置OPEN 取下清潔器部件，手拿鉛筆去打開汽門GAS 在油罐里注入更多汽油RFILT 更換汽油過濾器CLEAN 清潔和緊固電池電纜CBATT 對電池充電或更換電池NSTAR 更換啟動器 觀測的表示

10、 y觀測是得到結論所需要的觀察或量測結果。它們通?？梢杂眠壿嬛担赫?T)，假(F)或“不知道”，或用數字來表示。在交互式系統中，一般包括向使用者詢問信息的系統；但有時也可以不需要使用者的直接干預，而直接獲得觀測結果。例如可以從儀表直接讀數或從另外的程序送來結果。y如果以向使用者詢問的方法記錄觀測，可以根據有關的主題來組織觀測，以便使詢問進行得更為有效。以下是一些表示如何組織問題的例子：選擇題 Odor of gas in carbaretor (汽化器中汽油的氣味) NGAS 無氣味 MGAS 正常 LGAS 氣味很濃對照表 Type of problem (問題種類) FCWS 汽車不能啟動

11、 FOTH 汽車有其它毛病數字類型問題 TEMP 室外溫度(華氏)是非題 EGAS 油表讀數為空y在某些系統中把觀測按假設那樣來處理，每個觀測都附有一個可信度等級。例如，使用者可以說明溫度為55的可信程度為90，或在汽化器里汽油氣味是正常的可信程度為70。與此不同，在EXPERT中對問題的回答限于真(T)，假(F)，“不知道”或數字值。但是，即使用這種表示方法，對某個重要的觀測，系統的設計者也可以通過建立一個新的觀測，來量測偏離實際結果的因素，以決定可信的程度。例如，系統可能先詢問一個儀表的讀數，然后又詢問這個讀數的可信程度。 推理規則的表示y總的來說產生式規則是決策規則果為常用的表示形式。這

12、些IFTHEN形式的規則用來編譯專家憑經驗的推理過程。按照我們的表示方法，產生式規則可根據觀測和假設之間的邏輯關系分成三類： (1) FF觀測到觀測的規則； (2) FH觀測到假設的規則； (3) HH假設到假設的規則y從觀測到觀測的規則(FF規則) FF規則規定那些可以從已經確定的觀測直接推導出來的觀測的真值。如果利用FF規則，根據對先前問題的回答，已經可以確定對后面問題的回答，那么就可以避免詢問不必要的問題。在問題調查表中，問題的排列是從一般的問題到專門的問題。如果一些問題的回答可被用來確定對另外一些問題的解答，這些問題應在問題調查表中最先被應用。FF規則 F (FRONT，F)F (HE

13、AD：PARK, F)其中， F(FRONT, F)表示觀測FRONT是假； F(HEAD：PARK，F)表示，在問題調查表中排列次序在HEAD到PARK之間的所有觀測都是假。 問題調查表*對照表車燈不工作： FRONT 前車燈 REAR 后車燈*對照表前車燈不工作： HEAD 車頭燈 FTURN 轉彎燈 PARK 停車燈*對照表后車燈不工作： TAIL 車尾燈 RTURN 轉彎信號燈 BU 備用燈表中*號以后的名稱說明問題的類型。此表中所用的問題類 型 都 是 對 照表。問題類型以下的第一行說明所詢問的問題。例如，“車燈不工作嗎?”問題下面所列出的是幾種可能的回答。例如“前車燈”表示前車燈不

14、工作， “后車燈”表示后車燈不工作，等等。對后燈，也可以相類似地構成另一條FF規則。 F(REAR，F)F(TAIL：BU，F) 在這個例子中，只有當我們已經知道前燈不工作，才會進一步詢問關于前燈的專門問題。這個例子說明如何設計問題調查表，調查表以一種自然的方式引導詢問的順序。按這種方式，僅限于詢問那些未被以前的回答排除掉的數據。y從觀測到假設的規則(FH規則) FH規則1 F(SCRNK，T)F(DIM，T)H(BATD，0.7) (如果啟動器旋轉緩慢以及車頭燈暗淡，那么電池的電用完了的可信度是0.7) FH規則2F(TEMP，0：50)1：F(SCRNK，T)，F(OCRNK，T)H(CH

15、OKE，0.7) (如果氣溫是在0到50度之間以及一個或更多的下述條件為真，啟動器旋轉緩慢，或根本不轉， 那么氣門被堵塞的可信度是0.7)y從假設到假設的規則(HH規則) HH規則用來規定假設之間的推理。以下為HH規則的簡單例子。HH規則F(FCWS，T)H(FLOOD，0.2：1)H(WAIT，0.9)(如果汽車不能發動并已經得出汽缸被淹的結論(其可信度為0.2到1之間)，那么等待10分鐘或在啟動時把風門踏板踩到最低處(其可信度為0.9) 上下文：在產生式規則中增加的描述性成分。上下文把某一組規則的使用范圍限制在一個專門的情況下。例如HH規則 IF F(FCWS， T) THEN H(FLO

16、OD，.2：1) H(WAIT，.9) H(CHOCK，.2：1) H(OPEN，.5) H(EMPTY，.3：1) H(GAS，.9) H(FILT，.4：1) H(RFILT，.9) 11(CAR，.5：1) H(CLEAN，.7) H(BATD，.4：1) H(GBATT，.8) H(STRTR，.4：1) H(NSTAR，.9)END例中(如果 FCWS即汽車不能發動，為真)這個條件確定了研究THEN后面這組規則所需的上下文。如果FCWS為假，那么就不必研究這組規則。z使用知識 作為一個實驗性的系統，在專家系統的設計中有兩個關于控制的問題。這是兩個相互關連的目標： (1)得到準確的結論

17、。 (2)詢問恰當的問題以幫助分析和作出決策。 結論的分級與選擇y按評價的先后次序，把規則分成等級和選擇規則是推理過程控制策略的基本部分。我們可以根據專家的意見來排列、評價規則的次序。y規則評價次序的影響。產生式規則都是FH規則，調用規則的次序不會改變結論。這是因為FH規則之間不相互影響。產生式規則是HH規則，這樣的規則經常取決于通過應用其它規則而得到的中間結果。例如，在汽車修理系統中有以下規則F(FCWS，T)H(FLOOD，.2：1) H(WAIT，.9)這個規則表示 如果汽車不能發動且已經以0.2到1之間的可信度得出汽缸被淹的結論 那么等待10分鐘或在啟動時把風門踏板踩到最低位置“汽缸被

18、淹”這個假設，必須在引用這條規則以前作出。在EXPERT系統中，由系統的設計者編排規則的次序，這使得HH規則排列的次序就是規則被評價的實際次序。y幾個規則可同時被滿足，都可被用于相同的假設：F(NCRNK，T)F(DIM，F) H(STRTR，0.7) 如果啟動器不轉動且車頭燈并不暗淡那么啟動器工作不正常(可信度為0.7)，F(GRIND，T) H(STRTR，0.9)如果啟動器發生磨擦的噪聲那么啟動器的工作不正常(可信度為0.9) 如果，在所述例子中，上述二個規則同時被滿足，我們必須把0.7和0.9這二個可信度組合成一個數。這就是前面所介紹的多個規則支持同一事實時的情況。 詢問問題的策略y固

19、定的順序 在某些場合下，專家是以預先仔細規定的序列或順序收集所需的知識。例如，在醫療問題中，根據經驗或系統化過程的習慣，醫生總是以固定的順序向病人問診以建立病歷的。y根據具體情況作出某種選擇 詢向耗費最小的問題。對每個問題賦予耗費或風險的量測，并且耗費較小的問題應該比耗費較大的問題先問。因為按文字是很難準確地分配耗費或風險的，所以通常是憑直觀近似地分等。優先詢問對當前可信度最高的假設有影響的問題。選擇這樣的問題：這些問題所涉及的規則能推理出當前可信度最高的假設。只考慮那些和當前記錄的觀測有關的假設。詢問和這些假設有關的問題。僅考慮那些有可能使某個假設當前等級的升高或降低超過某一規定的閾值的事實

20、。即對這些假設可信度的影響超過一定程度的事實。如果任何一個假設的可信度已超過某一預先確定的閾值，就停止詢問。這種終止詢問的策略不經常用，因為人們總是希望多問些問題，而不是帶著一個可能是錯的結論而過早地停止詢問。z決策的解釋 對系統設計者的解釋。y如果是對系統的設計者解釋決策，那么只需顯示為了推論出給定假設所需滿足的那組規則。y例如要求對假設 BATD（電池耗盡）做出解釋。假設 BATD電池耗盡的假設是根據規則7(如下所示)得出的如果 啟動器的數據：不旋轉 簡單的檢查：車頭燈暗淡那么電池耗盡(0.9)y這種類型的解釋對設計者估價系統當前的推理方式以及修改系統的性能很有用。然而，對系統的使用者來說

21、，就過于生硬了。 對系統使用者的解釋。y一種解釋方法是用語句來說明結論。這些語句要比只是聲明一個結論要自然一些。系統所用的假設可能是任何形式的包含說明，建議的語句。有時系統的設計者可以預先提出某些適合于給定假設的解釋。假如，在修理汽車的例子中，可以給出一個總的來說多少是解釋性的說明，而不是生硬地把結論分成診斷和處理兩類。這樣的語句可以是以下形式：“因為汽車的汽缸被淹，所以把風門踏板踩到底或等待10分鐘”6.4設計專家系統的技巧z建立專家系統的原型 對專家系統設計者的唯一的最重要的建議是盡早地建立專家系統的原型，即實驗系統。因為專家的推理規則經常被規定得不根完善和不妥當，因此，人們總是希望有些具體的東西可以看見或可以接觸，使專家盡早看到系統在實際運行特別重要。一個初始的實驗系統可能很粗糙、不完善和可能包含不準確性，但是至少可以提供一個出發點，從這個出發點專家可以提出他們的建議使系統得到改進。z建立初始的實驗系統的準則 設計專家系統