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专家系统

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1.什么是专家系统(ES)

专家系统(Expert System)是一种在特定领域内具有专家水平解决问题能力的程序系统。它能够有效地运用专家多年积累的有效经验和专门知识,通过模拟专家的思维过程,解决需要专家才能解决的问题。

专家系统属于人工智能的一个发展分支,自1968年费根鲍姆等人研制成功第一个专家系统DENDEL以来,专家系统获得了飞速的发展,并且运用于医疗、军事、地质勘探、教学、化工等领域,产生了巨大的经济效益和社会效益。现在,专家系统已成为人工智能领域中最活跃、最受重视的领域。

2.专家系统(ES)的构造

专家系统的基本结构如图所示,其中箭头方向为数据流动的方向。专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。

Image:zjxt.jpg

知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的,因此,知识库是专家系统质量是否优越的关键所在,即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来说,专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的,用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。

人工智能中的知识表示形式有产生式、框架、语义网络等,而在专家系统中运用得较为普遍的知识是产生式规则。产生式规则以IF…THEN…的形式出现,就像BASIC等编程语言里的条件语句一样,IF后面跟的是条件(前件),THEN后面的是结论(后件),条件与结论均可以通过逻辑运算AND、OR、NOT进行复合。在这里,产生式规则的理解非常简单:如果前提条件得到满足,就产生相应的动作或结论。

推理机针对当前问题的条件或已知信息,反复匹配知识库中的规则,获得新的结论,以得到问题求解结果。在这里,推理方式可以有正向和反向推理两种。正向推理是从前件匹配到结论,反向推理则先假设一个结论成立,看它的条件有没有得到满足。由此可见,推理机就如同专家解决问题的思维方式,知识库就是通过推理机来实现其价值的。

人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面,用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题,并输出推理结果及相关的解释等。

综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论,往往是作为暂时的存储区。解释器能够根据用户的提问,对结论、求解过程做出说明,因而使专家系统更具有人情味。

知识获取是专家系统知识库是否优越的关键,也是专家系统设计的“瓶颈”问题,通过知识获取,可以扩充和修改知识库中的内容,也可以实现自动学习功能。

3.专家系统(ES)的特点

(1)为解决特定领域的具体问题,除需要一些公共的常识,还需要大量与所研究领域问题密切相关的知识;

(2)一般采用启发式的解题方法;

(3)在解题过程中除了用演绎方法外,有时还要求助于归纳方法和抽象方法;

(4)需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性;

(5)能对自身的工作过程进行推理(自推理或解释);

(6)采用基于知识的问题求解方法;

(7)知识库与推理机分离。

4.专家系统(ES)的分类

用于某一特定领域内的专家系统,可以划分为以下几类:

1、 诊断型专家系统:根据对症状的观察分析,推导出产生症状的原因以及排除故障方法的一类系统,如医疗、机械、经济等。

2、 解释型专家系统:根据表层信息解释深层结构或内部情况的一类系统,如地质结构分析、物质化学结构分析等。

3、 预测型专家系统:根据现状预测未来情况的一类系统,如气象预报、人口预测、水文预报、经济形势预测等。

4、 设计型专家系统:根据给定的产品要求设计产品的一类系统,如建筑设计、机械产品设计等。

5、 决策型专家系统:对可行方案进行综合评判并优选的一类专家系统。

6、规划型专家系统:用于制定行动规划的一类专家系统,如自动程序设计、军事计划的制定等。

7、 教学型专家系统:能够辅助教学的一类专家系统。

8、 数学专家系统:用于自动求解某些数学问题的一类专家系统。

9、 监视型专家系统:对某类行为进行监测并在必要时候进行干预的一类专家系统,如机场监视、森林监视等。

5.专家系统(ES)的发展

目前的专家系统发展确实存在着一些限制,在未来的年代中,许多今日专家系统缺失将会被改善,相信未来专家系统应该继续研究的项目有:具有处理常识的能力;发展深层的推论系统;不同层次解释的能力;使专家系统具有学习的能力;分布式专家系统;轻易获取与更新知识的能力。

未来发展的专家系统,能经由感应器直接由外界接受资料,也可由系统外的知识库获得资料,在推理机中除推理外,上能拟定规划,仿真问题状况等。知识库所存的不只是静态的推论规则与事实,更有规划、分类、结构模式及行为模式等动态知识。

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