第六章 专家系统与IDSS

二、专家系统的基本特征
1. 具有专家水平的专门知识



一般来说，专家系统中的知识可分为三个层次， 即数据级、知识库级和控制级。 数据级知识是指具体问题所提供的初始事实以及 问题求解过程中所产生的中间结论、最终结论等。 如，病人的症状、化验结果以及由专家系统推出 的病因、治疗方案等。 知识库级知识是指专家的知识，例如医学常识、 医生诊治疾病的经验等。 控制级知识是用于控制系统的运行过程及推理的 知识。如，搜索策略、推理方法等。 任何一个专家系统都是面向一个具体领域的，求 解的问题仅仅局限于一个较窄的范围内。
6. 人机接口

人机接口是专家系统与领域专家或知识 工程师及一般用户间的界面，由一组程 序及相应的硬件组成，用于控制人机交 互过程, 使用户能够以方便、直观的形 式进行人机对话, 同时充分发挥用户人 机对话中的主观能动性,尽可能地避免用 户的误操作，用于完成输入输出工作。
6.1.3 产生式规则专家系统
样 本 知 识 库
领域专家
知识工程师
（二）知识获取的步骤
（1）领域确定和问题定义。在这一阶段， 需确定知识库的应用领域和问题的类型，从 而确定知识的来源，【例如】有经验的领域 专家、文档、实验数据和已经被成功解决的 问题的实例等。 （2）领域知识的概念化。这是最重要的阶 段，在这一阶段中知识工程师和领域专家彼 此协作将领域知识形式化为某些基本概念和 概念关系的抽象形式，即将事实和关系变换 成与领域无关的、易于在知识库存贮和处理 的知识结构。
一、产生式规则及特点
二、推理方法
三、推理树
四、推理树的搜索
五、不确定性推理
一、产生式规则

产生式规则知识一般表示为：if A then B , 或表示为： “如果A成立则B成立”，简化为：A → B 。 产生式规则知识允许有以下的特性： (1) 相同的条件可以得出不同的结论。 如：A → B A → C (2) 相同的结论可以由不同的条件来得到。 如：A→G B→G (3) 条件之间可以是"与"(AND)连接和"或"(OR)连接。 如: A∧B→G A∨B→G(相当于A→G,B→G） (4) 一条规则中的结论,可以是另一条规则中的条件。 如：F∧B→Z C∧D→F

4. 知识获取机制
（一）知识获取的方式
知识获取是建立知识库的重要基础,
是专家系统开发中最关键也最艰难的 一步, 被称为专家系统开发的“瓶 颈”。专家系统的下一步是开发更好 的知识获取工具。当前,知识获取有 三种主要形式。
(l) 人工获取。领域专家与知识工程 师交流，提供领域的知识，知识工程 师将领域知识概念化、形式化、编码、 测试，并将结果与领域专家的经验比 较，经这样多次反复逐步完善知识库。
（2）常规程序把关于问题求解的知识
隐含于程序中，而专家系统则把应用 领域中关于问题求解的知识单独组成 一个知识库。常规程序将其知识组织 为两极，即数据级和程序级，而专家 系统将其知识组织成三级，即数据级、 知识库级和控制级。
（3）常规程序一般是通过查找或计算
来求取问题的答案，基本上是面向数值 计算和数据处理的，而且在问题求解过 程中先后顺序都是由程序规定的；而专 家系统是通过推理来求取问题的答案或 证明某个假设，本质上是面向符号处理 的，其推理过程随着情况的变化而变化， 具有不确定性和灵活性。
四、专家系统的应用
一、专家系统的概念
迄今为止，关于专家系统还没有一个公认的严 格定义，一般认为： （1）它是一个智能程序系统； （2）它具有相关领域内大量的专家知识； （3）它能应用人工智能技术模拟人类专家求 解问题的思维过程进行推理，解决相关领域内 的困难问题，并且达到领域专家的水平。 专家系统——就是一种在相关领域中具有专家 水平解题能力的智能程序系统，它能运用领域 专家多年积累的经验与专门知识，模拟人类专 家的思维过程，求解需要专家才能解决的困难 问题。
6.1.2 专家系统的基本结构及工作原理
一、基本结构 二、工作原理
一、基本结构
知识获取机制
人 机 接 口 知识库 核 心 动态存储器
推理机制
解释机制
专家系统基本体系结构
二、工作原理
1. 知识库
知识库是知识的存储机构，用于存储领域内 的原理性知识、专家的经验性知识以及有关 的事实等。知识库中的知识来源于知识获取 机构，同时它又为推理机制提供求解问题所 需的知识。 知识库中的知识以产生式规则形式表示，规 则形式如：前提→结论 或 IF 条件l AND 条件2 … AND 条件N THEN 动作或结论
领域专家 知识工程师 知识库
(2)交互式学习。领域专家利用获取 工具，在知识工程师的协作下，直接 与计算机交互学习。
领域专家 知识库
知识工程师

(3)自动知识获取。计算机在领域专家和 知识工程师的配合下，直接从样本中获 取知识，其中样本包括实验数据、问题 求解的实例、文本、数据库数据和Web上 的资料等。
5. 动态存储器
动态存储器又称为“黑板”或者“工作
存储器”。它是用于存放用户提供的初 始事实、问题描述以及系统运行过程中 得到的中间结果、最终结果、运行信息 等。 动态存储器的内容是不断变化的。在求 解问题的开始时，它存放的是用户提供 的初始事实；在推理过程中它存放每一 步推理所得到的结果。同时,动态存储器 还保存一次推理过程中的全部推理路径, 供解释推理过程时使用。

2. 推理机制

推理机制主要有两个任务, 一是推理（知识 的运用）, 即从知识库中已有的知识中推导 出所需要的结论和知识；二是控制搜索过程 （知识的选择）, 即确定知识库中规则的扫 描顺序,决定在每个控制信息下要触发的规则。 推理机的性能与构造一般与知识的表示方式 和组织方式有关，但与知识的内容无关，这 有利于保证推理机与知识库的相对独立性。 为提高系统的运行效率，采取：启发性知识， 启发式搜索。
(1)翻译系统：对观测到的数据,用已设定的含 义来解释它，如语言翻译、语言理解、图像 分析、化学结构说明、信号翻译等。 (2)预测系统：对未来情况推出可能的结果,如 天气预报、人口预测、交通预测、军事预报 等。 (3)诊断系统：从可观测事物中推出系统的故 障,即从所观测的不正常行为找出潜在的原因, 如医学、电子学、机械、软件诊断等。
2. 能进行有效的推理

专家系统的根本任务是求解领域内的现实问 题。问题的求解过程是一个思维过程，即推 理过程。专家系统必须具有相应的推理机构， 能根据用户提供的已知事实，通过运用掌握 的知识，进行有效的推理，以实现对问题的 求解。
专家系统的推理机制多种，有：精确推理、 不确定性推理、不完全推理和试探性推理等。 需根据问题领域的特点，分别进行设计。
(4)设计系统：设计满足目标要求的方案,即根 据目标及各子目标间的相互关系构成方案, 并证明这些方案和提出的目标要求相一致, 如电路设计、建筑设计以及预算的编制。 (5)规划系统：设计行为动作,即利用对象的行 为特征模型来推论对象的行为动作,如自动 程序设计、机器人、计划、通讯、军事等规 划问题。 (6)监控系统：对系统行为的观测指出规划行 为中不足之处,如计算机辅助监控系统用于 原子能工厂、航空、治病、煤矿安全等。




（3）知识的形式化和编码。在这一阶段，将所 获取的领域知识转化为执行的计算机程序，【例 如】“If·· ·then”规则等。 · （4）系统测试和查错。通过测试检查知识库中 的错误、不一致性和不完整性等。引起这一类错 误的主要原因有：①专家在这一领域的知识不完 备；②专家在特定场合的经验有问题；③某些知 识的形式化不严密；④遗漏了某些事实和事实之 间的关系；⑤含有非法和不能应用的语句；⑥缺 少了领域专家的关键启发式知识等。 （5）知识优化和系统完善。主要是通过求解实 际问题来对冗余的规则、形成死循环的规则、不 相容、不一致和互相冲突的规则进行修改的过程。
第六章 专家系统与智能决策支持系统
6.1 专家系统 6.2 智能决策支持系统
6.1 专家系统
6.1.1 专家系统简介 6.1.2 专家系统的基本结构及工作原理 6.1.3 产生式规则专家系统 6.1.4 专家系统示例
6.1.1 专家系统简介
一、专家系统的概念
二、专家系统的基本特征 三、专家系统与常规计算机程序的区别
4. 具有灵活性
在大多数专家系统中，其体系结构都采用了 知识库与推理机相分离的构造原则，彼此既 有联系，又相互独立。 好处是： ① 在系统运行时能根据具体问题要求分 别选取合适的知识构成不同的求解序列，实 现对问题的求解。 ② 一方进行修改时不致影响到另一方。 ③ 便于把一个技术上成熟的专家系统变 为一个专家系统工具。


3. 解释机制

能够对系统的行为作出解释，是专家系统区别 于一般程序的重要特征之一，也是它取信于用 户的一个重要措施。另外，通过对自身行为的 解释还可帮助系统建造者发现知识库和推理机 中的错误，有利于对系统的调试及维护。 解释机构由一组程序组成，它能跟踪并记录推 理过程，当用户提出询问需要给出解释时，它 将根据问题的要求分别做相应的处理，最后把 解答用约定的形式通过人机接口输出给用户。

（4）常规程序处理的数据多是精确的；而 专家系统处理的数据及知识大多是不精确的、 模糊的，知识的模式匹配也多是不精确的， 需要为其设定阈值。
（5）常规程序一般不具有解释功能，而专 家系统一般具有解释机构，可对自己的行为 作出解释。
源自文库


（6）常规程序与专家系统具有不同的体系 结构。
四、专家系统的应用

5. 具有透明性

一个计算机程序系统的透明性是指，系 统自身及其行为能被用户所理解。专家 系统具有较好的透明性，是因为它具有 解释功能。
6. 具有交互性

专家系统一般都是交互式系统。
7. 具有实用性

专家系统是根据领域问题的实际需求开 发的，这决定了它具有坚实的应用背景， 已广泛应用于多个领域。


例如, 某计算机故障诊断专家系统的知识库 中存储了数百条关于计算机故障诊断的产生 式规 则, 其中的一条规则为：

RULE1： IF 外部电源插座电压正常
AND 计算机内电源输入电压为零
AND 电源插座电压正常
AND 电源插座到计算机的电源线完好
THEN
计算机的电源开关故障
为了表达专家知识的复杂概念,知识库中的规则 分级存储,整个知识库形成一个树形结构，其中 的规则也可嵌套,例如,在某动物识别专家系统 中有如下三条规则形成了一个嵌套结构： RULE1： IF 动物有奶 THEN 该动物是哺乳动物 RULE2： IF 动物吃肉 THEN 该动物是食肉动物 RULE3： IF 动物是哺乳动物 AND 动物是食肉动物 AND 动物是黄褐色 AND 动物身上有黑条纹 THEN 该动物是老虎
8. 具有一定的复杂性和难度

多种需要解决的困难问题，如不确定性 知识的表示、不确定性的传递算法、匹 配算法等等。
三、专家系统与常规计算机程序的区别
（1）常规的计算机程序是对数据结构以及 作用于数据结构的确定型算法的表述，即 常规程序=数据结构+算法
而专家系统是通过运用知识进行推理，力
求在问题领域内推导出满意的解答，即 专家系统=知识+推理
(7) 调试系统：指出故障的补救方法。它依靠规 划设计和预测的能力来产生正确处理某个诊 断问题的提示或推荐方案。 (8)维修系统：执行一个规划来完成某一个诊 断问题的治疗方法。这类系统综合了调试、 规划和执行的能力。如：汽车设备维修ES 。 (9)控制系统：一个专家控制系统能自动控制 系统的全部行为。它反复解释当前情况,预测 未来,诊断问题的产生原因,做出处理的计划 以及监督系统运行,并保证正常的操作。控制 系统已应用在航空控制、商务管理、战场指 挥等方面。

3. 具有获取知识的能力

目前专家系统在知识获取方面的能力还较弱，
当前应用较多的是建立知识编辑器，知识工
程师或领域专家通过知识编辑器把领域知识
“传授”给专家系统，建立知识库。一些高
级专家系统目前正在建立一些自动获取工具，
使系统自身具有学习能力，能从系统运行的 实践中不断总结出新的知识。

知识获取工具——搜索工具、数据挖掘技术。