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專家系統(Expert System)是一個具有智能特點的計算機程序,它的智能化主要表現為能夠在特定的領域內模仿人類專家思維來求解複雜問題專家系統通常由人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合資料庫、知識獲取等6個部分構成。主要由知識庫和推理機兩部分組成,廣泛應用於工程、科學、醫藥、軍事、商業等領域。

1 專家系統 -簡介

專家系統(Expert System)是一個或一組能在某些特定領域內,應用大量的專家知識和推理方法求解複雜問題的一種人工智慧計算機程序。屬於人工智慧的一個發展分支,專家系統的研究目標是模擬人類專家的推理思維過程。一般是將領域專家的知識和經驗,用一種知識表達模式存入計算機。系統對輸入的事實進行推理,做出判斷和決策。

從20世紀60年代開始,專家系統的應用產生了巨大的經濟效益和社會效益,已成為人工智慧領域中最活躍、最受重視的領域。

2 專家系統 -構造組成

專家系統專家系統的組成

專家系統通常由人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合資料庫、知識獲取等6個部分構成。專家系統的基本結構大部分為知識庫和推理機。其中知識庫中存放著求解問題所需的知識,推理機負責使用知識庫中的知識去解決實際問題。知識庫的建造需要知識工程師和領域專家相互合作把領域專家頭腦中的知識整理出來,並用系統的知識方法存放在知識庫中。當解決問題時,用戶為系統提供一些已知數據,並可從系統處獲得專家水平的結論。 

知識庫

用來存放專家提供的知識。專家系統的問題求解過程是通過知識庫中的知識來模擬專家的思維方式的,因此,知識庫是專家系統質量是否優越的關鍵所在,即知識庫中知識的質量和數量決定著專家系統的質量水平。一般來說,專家系統中的知識庫與專家系統程序是相互獨立的,用戶可以通過改變、完善知識庫中的知識內容來提高專家系統的性能。 

人工智慧中的知識表示形式有產生式、框架、語義網路等,而在專家系統中運用得較為普遍的知識是產生式規則。產生式規則以IF…THEN…的形式出現,就像BASIC等編程語言里的條件語句一樣,IF後面跟的是條件(前件),THEN後面的是結論(後件),條件與結論均可以通過邏輯運算AND、OR、NOT進行複合。在這裡,產生式規則的理解非常簡單:如果前提條件得到滿足,就產生相應的動作或結論。 

推理機

針對當前問題的條件或已知信息,反覆匹配知識庫中的規則,獲得新的結論,以得到問題求解結果。在這裡,推理方式可以有正向和反向推理兩種。正向推理是從前件匹配到結論,反向推理則先假設一個結論成立,看它的條件有沒有得到滿足。由此可見,推理機就如同專家解決問題的思維方式,知識庫就是通過推理機來實現其價值的。 

人機界面

是系統與用戶進行交流時的界面。通過該界面,用戶輸入基本信息、回答系統提出的相關問題,並輸出推理結果及相關的解釋等。 

綜合資料庫

專門用於存儲推理過程中所需的原始數據、中間結果和最終結論,往往是作為暫時的存儲區。解釋器能夠根據用戶的提問,對結論、求解過程做出說明,因而使專家系統更具有人情味。 

知識獲取 是專家系統知識庫是否優越的關鍵,也是專家系統設計的「瓶頸」問題,通過知識獲取,可以擴充和修改知識庫中的內容,也可以實現自動學習功能。

3 專家系統 -類型劃分

按知識表示的技術劃分

1、基於邏輯的專家系統;

2、基於規則的專家系統;

3、基於語義網路的專家系統和基於框架的專家系統。   

按任務類型劃分

1、 診斷型專家系統:根據對癥狀的觀察分析,推導出產生癥狀的原因以及排除故障方法的一類系統,如醫療、機械、經濟等。 

2、 解釋型專家系統:根據表層信息解釋深層結構或內部情況的一類系統,如地質結構分析、物質化學結構分析等。 

3、 預測型專家系統:根據現狀預測未來情況的一類系統,如氣象預報、人口預測、水文預報、經濟形勢預測等。 

4、 設計型專家系統:根據給定的產品要求設計產品的一類系統,如建築設計、機械產品設計等。 

5、 決策型專家系統:對可行方案進行綜合評判並優選的一類專家系統。 

6、規劃型專家系統:用於制定行動規劃的一類專家系統,如自動程序設計、軍事計劃的制定等。 

7、 教學型專家系統:能夠輔助教學的一類專家系統。 

8、 數學專家系統:用於自動求解某些數學問題的一類專家系統。 

9、 監視型專家系統:對某類行為進行監測並在必要時候進行干預的一類專家系統,如機場監視、森林監視等。 

4 專家系統 -功能特點

專家系統數控機床故障診斷專家系統

1、為解決特定領域的具體問題,除需要一些公共的常識,還需要大量與所研究領域問題密切相關的知識; 

2、一般採用啟髮式的解題方法; 

3、在解題過程中除了用演繹方法外,有時還要求助於歸納方法和抽象方法; 

4、需處理問題的模糊性、不確定性和不完全性; 

5、能對自身的工作過程進行推理(自推理或解釋); 

6、採用基於知識的問題求解方法; 

7、知識庫與推理機分離。

5 專家系統 -工作過程

專家系統的基本工作流程是,用戶通過人機界面回答系統的提問,推理機將用戶輸入的信息與知識庫中各個規則的條件進行匹配,並把被匹配規則的結論存放到綜合資料庫中。最後,專家系統將得出最終結論呈現給用戶。   

在這裡,專家系統還可以通過解釋器向用戶解釋以下問題:系統為什麼要向用戶提出該問題(Why);計算機是如何得出最終結論的(How)等。領域專家或知識工程師通過專門的軟體工具,或編程實現專家系統中知識的獲取,不斷地充實和完善知識庫中的知識。

6 專家系統 -發展歷史

專家系統的發展經歷了三個時期:

初創期

(1965一l971)

第一代專家系統——DENLDRA和MACSMA出現,標誌著專家系統的誕生。其中,DEN-LDRA為推斷化學分子結構的專家系統,1968年由專家系統的奠基人、Stanford大學計算機系的費根鮑姆(Feigenbaum)教授及其研究小組研製。MACSMA為用於數學運算的數學專家系統,由麻省理工學院完成。這兩個系統的設計和實現完全是針對其應用領域的,主要注意了系統的性能。而忽略了系統的透明性靈活性等方面的問題。

成熟期

(1972— 1977)

20世紀七十年代專家系統趨於成熟.專家系統的觀點也開始廣泛地被人們接受。七十年代中期先後出現了以MYCIN、hearsay、PROSPECTOR等為代表的一批卓有成效的專家系統,其中斯坦福大學研究開發的血液感染病診斷專家系統MYCIN被國際上公認為景有影響的專家系統。在MYCIN 中第一次使用了專家系統中非常流行的知識庫概念.並在系統中使用了似然推理技術來模擬人類的啟髮式問題求解方法。它對專家系統的理論和實踐都有很大的貢獻。HEARSAY系統是一個用於語音識別的專家系統。在HEARSAY— l系統中提出的黑板系統結構已成為一種非常流行的系統構造技術。另外,七十年代出現的元知識概念、產生式系統、框架和語義網路知識表達方式也被廣泛地應用到了以後的專家系統中,知識工程概念的提出.宣告了專家系統已走向成熟。

發展期

(1978一 )

20世紀七十年代末.人工智慧專家開始認識到這樣一個事實:即一個程序的求解問題的能力,不取決於所應用的形式化體系和推理模式,而取決於它所具有的處理知識的能力。從而產生了一個研究思路上的突破:要使一個程序上有智能,必須向它提供大量有關領域的高質量的專門知識。這種認識上的突破導致了專家系統地位的確立.為人工智慧的研究開闢了一個新的研究方向。

專家系統應用領域迅速擴大,處理問題的難度也不斷增加。出現了一批用於建造和維護專家系統的工具系統。工具系統可分為三類:①通過實例自動形成知識的系統;②智能知識庫編輯系統,③ 骨架系統。七十年代末期,在MYCIN 基礎上開發的EMYCIN 就是一個骨架系統。它實際上是一個沒有領域知識庫的MYCIN,或者說是MYCIN推理部分的構造。骨架系統的出現是專家系統的一個重大發展,它促進了專家系統的商品化。反過來,專家系統的商品化又促進了骨架系統的迅速發展。

20世紀八十年代,專家系統的研究進入了一個新的階段。首先是數量增多,估計全世界的專家系統有2000到3000種.1987年研製成功的專家系統有1000種。專家系統的應用領域拓寬,廣泛地應用於醫學、地質勘探、石油天然氣資源評價、數學、物理學、化學的科學發現以及企業管理、工業控制、經濟決策等方面。進入8O年代,專家系統研究走出了大學和研究機關而廣泛地進入產業界。 

進入20世紀九十年代后,人們對專家系統的研究轉向了與知識工程、模糊技術、實時操作技術、神經網路技術、資料庫技術等相結合的專家系統,這也是專家系統今後的研究方向和發展趨勢。

7 專家系統 -應用範圍

專家系統土地規劃評價專家系統

專家系統技術廣泛應用在工程、科學、醫藥、軍事、商業等方面,應用領域概括有:  

1、解釋(Interpretation)-如測試肺部測試(如PUFF)。   

2、預測(Prediction)-如預測可能由黑蛾所造成的玉米損失(如PLAN)。   

3、診斷(Diagnosis)-如診斷血液中細菌的感染(MYCIN)。又如診斷汽車柴油引擎故障原因之CATS系統。   

4、故障排除(Fault Isolation)-如電話故障排除系統ACE。   

5、設計(Design)-如專門設計小型馬達彈簧與碳刷之專家系統MOTORBRUSHDESIGNER。   

6、規劃(Planning)-就出名的有輔助規劃IBM計算機主架構之布置,重安裝與重安排之專家系統CSS,以及輔助財物管理之PlanPower專家系統。   

7、監督(Monitoring)-如監督IBM MVS操作系統之YES/MVS。   

8、除錯(Debugging)-如偵查學生減法算術錯誤原因之BUGGY。   

9、修理(Repair)-如修理原油儲油槽之專家系統SECOFOR。   

10、行程安排(Scheduling)-如製造與運輸行稱安排之專家系統ISA。又如 工作站(work shop)製造步驟安排系統。   

11、教學(Instruction)-如教導使用者學習操作系統之TVC專家系統。   

12、控制(Control)-幫助Digital Corporation計算機製造及分配之控制系統PTRANS。   

13、分析(Analysis)-如分析油井儲存量之專家系統DIPMETER及分析有機分子可能結構之DENDRAL系統。它是最早的專家系統,也是最成功者之一。   

14、維護(Maintenance)-如分析電話交換機故障原因之後,及能建議人類該如何維修之專家系統COMPASS。   

15、架構設計(Configuration)-如設計VAX計算機架構之專家系統XCON以及設計新電梯架構之專家系統VT等。   

16、校準(Targeting)-例如校準武器如何工作。

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