第七章 专家系统知识表示与推理讲诉
第7章专家控制系统
第7章 专家控制系统教学内容首先介绍专家系统基本概念、特征、组成以及基本类型。
然后讲授专家控制系统的工作原理，最后介绍了建立专家系统的步骤和专家控制器。
教学重点1．专家系统的概念，即它是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
将专家系统同控制理论和技术相结合，对系统进行控制形成专家控制系统。
把专家系统作为控制器称为专家控制器。
专家系统的基本组成，即由知识库、推理机、解释接口等组成。
2．专家控制系统工作原理。
专家系统设计的基本步骤：认识和阶段化概念，实现阶段，获取知识、构造外部知识库，调试和检验阶段。
教学难点专家系统的工作原理、知识的表示和获取，专家系统的设计。
教学要求1．了解专家系统的概念，理解专家控制系统、专家控制器的概念。
2．掌握专家系统的特征、组成和基本类型。
3．理解专家控制系统的工作原理。
知识的表示和获取。
4．掌握建立专家系统的步骤。
5．了解专家控制器的组成，专家控制器的设计原则。
7.1 概述7.1.1 专家系统的起源与发展人工智能科学家一直在致力于研制在某种意义上讲能够思维的计算机软件，用以“智能化”的处理、解决实际问题。
60年代，科学家们试图通过找到解决多种不同类型问题的通用方法来模拟思维的复杂过程，并将这些方法用于通用目的的程序中。
然而事实证明这种“通用”程序处理的问题类型越多，对任何个别问题的处理能力似乎就越差。
后来，科学家们认识到了问题的关键即计算机界程序解决问题的能力取决于它所具有的知识量的大小。
为使一个程序智能化，必须使其具有相关领域的大量高层知识。
为解决某具体专业领域问题的计算机程序系统的开发研制工作，导致专家系统这一新兴学科的兴起。
从本质上讲，专家系统是一类包含着知识和推理的智能计算机程序，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的问题。
1965年斯坦福大学开始建立用于分析化合物内部结构的DENTRAL系统，首先使用了“专家系统”的概念。
第7章专家系统人工智能
知识库 以一套规则建立人的长期存储器模型 工作存储器 建立人的短期存储器模型，存放问题事实和由规则激发而推断出的新事实。 推理机 借助于把存放在工作存储器内的问题事实和存放在知识库内的规则结合起来，建立人的 推理模型，以推断出新的信息 。
2. 基于规则专家系统的结构 推理机
工作存储器
解释器
知识库
用户界面
基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规则的专家系统相似,主要差别在于如何看待和使用知识 在设计基于框架的专家系统时，把整个问题和每件事想像为编织起来的事物 在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的方法 对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程
开发基于框架专家系统的主要任务
定义问题，包括对问题和结论考察与综述 分析领域，包括定义事物、事物特征、事件和框架结构 定义类及其特征 定义例及其框架结构 确定模式匹配规则 规定事物通信方法 设计系统界面 对系统进行评价 对系统进行扩展，深化和扩宽知识
6.4.1 基于模型专家系统的提出
❖ 关于人工智能的一个观点 ❖ 综合各种模型的专家系统比基于逻辑心理模型的系统具有更强的功能，从而有可能显著改
进专家系统的设计 ❖ 在诸多模型中，人工神经网络模型的应用最为广泛
6.4 Model-based Expert System 基于模型的专家系统
The contribution & limitation of Rule-based ES Use various qualitative models to AI An expert system integrated with various models
人工智能中的知识表示与推理
人工智能中的知识表示与推理人工智能（Artificial Intelligence，AI）已经成为当今科技领域的热门话题，它迅速改变着我们的生活方式和工作方式。
而在AI的核心技术中，知识表示与推理是至关重要的一环。
本文将探讨人工智能中的知识表示与推理，以及它们在实际应用中的意义和挑战。
一、知识表示知识表示是指将知识以适合计算机理解和处理的形式进行表达。
在人工智能中，常用的知识表示方式有以下几种。
1.符号逻辑表示符号逻辑是指用逻辑符号和规则来表示和处理知识的方法。
它将事物和关系抽象成逻辑符号，通过逻辑推理来达成目的。
例如，利用一阶谓词逻辑可以表示“所有猫都喜欢鱼”，然后通过推理得出“Tom是猫，所以Tom喜欢鱼”。
2.网络表示网络表示使用图结构来表示和处理知识。
图的节点代表事物，边代表事物之间的关系。
例如，使用有向图可以表示“Tom是Jerry的朋友”，节点Tom指向节点Jerry，表示Tom是Jerry的朋友。
3.语义网络表示语义网络是一种特殊的网络表示方法，它将知识以概念和关系的形式进行表达。
概念节点代表事物，关系边代表事物之间的关系。
例如，利用语义网络可以表示“猫是哺乳动物”，节点猫和节点哺乳动物通过关系边连接。
二、推理推理是指根据已知的事实和规则，通过逻辑推导得出新的结论或解决问题的过程。
在人工智能中，常用的推理方法有以下几种。
1.前向推理前向推理是从已知的事实出发，应用规则和逻辑推理，逐步推导得出结论的过程。
它从已知事实出发，逐级扩展，直到无法再得到新结论为止。
2.后向推理后向推理是从目标出发，逐步向前推导，找出能够满足目标的事实和规则。
它逆向推理，直到得到满足目标的结论或无法再向前推导。
3.不确定推理不确定推理是指在处理不完全或不准确的信息时，通过概率推断得到结论的方法。
它可以用于处理模糊、不确定的情况，通过概率模型计算出结论的概率。
三、知识表示与推理的应用知识表示与推理在人工智能的各个领域都有广泛的应用，下面以几个典型的应用为例进行介绍。
人工智能中的知识表示与推理
人工智能中的知识表示与推理在人工智能领域中，知识表示和推理是两个核心概念。
知识表示是指将现实世界的信息以某种形式存储在计算机系统中，以便机器能够理解和处理这些信息。
推理则是指机器通过对已有知识进行逻辑推导和推理，从而得出新的结论或解决问题的方法。
本文将深入探讨人工智能中的知识表示与推理的关键技术和应用。
一、知识表示的方法1.1 逻辑表示法逻辑表示法是一种基于命题逻辑或谓词逻辑的知识表示方法。
它将知识以逻辑形式表示，并采用规则和推理机制进行推理和推断。
逻辑表示法的优势在于形式化严谨，容易理解和扩展。
但是，当知识变得复杂和庞大时，逻辑表示法的推理效率会受到限制。
1.2 语义网络表示法语义网络表示法是将知识以节点和边的形式构建成图谱，节点表示概念或实体，边表示概念之间的关系。
语义网络表示法可以灵活地表示知识的层次结构和关联关系，适用于知识表示和语义推理。
1.3 产生式规则表示法产生式规则表示法是一种基于规则的知识表示方法。
它将知识以条件-动作规则的形式表示，当满足某个条件时，执行相应的动作或推理过程。
产生式规则表示法适用于专家系统等领域，能够灵活地处理复杂的逻辑和推理过程。
二、推理技术2.1 基于逻辑的推理基于逻辑的推理是指通过逻辑规则和推理机制进行推理。
其中，前向推理是从已知的事实和规则出发，逐步推导得出结论或解决问题；后向推理是从目标或结论出发，逆向搜索已知的事实和规则，找到满足条件的解决方法。
基于逻辑的推理能够根据已有的知识和规则进行推导，但受限于知识的形式化和推理的效率。
2.2 基于概率的推理基于概率的推理是指通过概率模型和推理算法进行推理。
它利用概率论的方法处理不确定性和不完全信息，能够根据概率模型对事件进行预测和推断。
基于概率的推理在机器学习和数据挖掘领域得到广泛应用，能够处理大规模的数据集和复杂的推理任务。
2.3 基于模型的推理基于模型的推理是指通过构建和利用模型进行推理。
模型可以是统计模型、物理模型、认知模型等，通过建立模型与实际世界之间的映射关系，进行推理和预测。
专家系统原理
专家系统原理
专家系统是一种基于人工智能技术的计算机系统，具有模拟领域专家知识和推理能力的特点。
其原理主要包括知识表示与推理、知识获取与存储、知识推理与解释三个方面。
知识表示与推理是专家系统的核心原理之一。
专家系统通过将领域专家的知识抽象为一系列规则、概念和事实，以规则为基础进行推理和解决问题。
知识表示可以使用逻辑规则、产生式规则或者基于规则的框架表示，以捕捉专家的领域知识。
知识获取与存储是专家系统的重要组成部分。
知识获取是指从领域专家或相关资源中获取专家知识，并将其转化为计算机可理解的形式。
知识存储则是将获取的知识进行组织、分类和存储，以便专家系统能够高效地检索和利用知识。
知识推理与解释是专家系统的推理机制。
在专家系统中，推理引擎根据用户提供的问题和已知的领域知识，通过推理过程来解决问题或做出决策。
推理过程可以基于规则的前向推理、后向推理、逆向推理等方法，通过模拟专家的推理能力来求解问题。
除了以上的基本原理，专家系统还可以包括解释器、界面和知识库等组件。
解释器用于解释和理解用户的问题或输入，界面则提供用户与专家系统的交互界面，而知识库则存储了专家系统所需要的领域知识。
总体而言，专家系统通过模拟领域专家的知识和推理过程，实
现了在特定领域中做出决策和解决问题的能力。
这种基于知识的推理方法使得专家系统成为了一种重要的人工智能应用技术。
第7章 几种结构化的知识表示及推理
图7―2 苹果的语义网络
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.2.2 语义网络的表达能力
由语义网络的结构特点可以看出，语义网络不仅可以表示事物的属性、 状态、行为等，而且更适合于表示事物之间的关系和联系。
图7―3 专家系统的语义网络
所以，抽象地说，语义网络可表示事物之间的关系。因此， 关系（或联系）型的知识和能化为关系型的知识都可以用 语义网络来表示。
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 1.实例关系 实例关系表示类与其实例（个体）之间的关系。其中，关
系“是一个”一般标识为“is-a”，或ISA。
是一个 小华 ISA 大学生
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 2.分类（或从属、泛化）关系 分类关系是指事物间的类属关系。其中，关系“是一
种”一般标识为“a kind of”或AKO。
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
7.1 框 架
7.2.1 框架的概念
其一般形式是:
<框架名> <槽名1><槽值1>| <侧面名11><侧面值111，侧面值112，…> <侧面名12><侧面值121，侧面值122，…>
…
<槽名2><槽值2>|<侧面名21><侧面值211，侧面值212，…>
<侧面名22><侧面值221，侧面值222，…>
框架名: 〈教师-1〉
姓名: 李明 性别: 男
年龄: 25
职称: 助教 专业: 计算机应用 部门: 计算机系软件教研室
外语水平：
显然, 原框架“教师-1”中无“外语水平”槽, 但它的父 框架是“大学教师”, 该框架内有“外语水平”槽, 并且侧面 “语种”(“范围”)缺省值是“英”, 侧面“水平”的缺省值 是“良”。 于是通过继承, 便知道了“教师-1”懂英语, 且水 平还良好。 那么, 这两个值也就可以填到“教师-1”的槽中。
第7章专家系统
专家系统的分类
（3）善于分析各种子问题，并处理好子
问题间的相互作用。 （4）能够实验性地构造出可能设计，并 易对所得设计方案进行修改。 （5）能够使用已被证明是正确的设计来 解释当前的（新的）设计。
专家系统的分类
设计专家系统涉及电路（如数字电路和
集成电路）设计、土木建筑工程设计、 计算机结构设计、机械产品设计和生产 工艺设计等。 5. 规划专家系统（expert system for planning） 规划专家系统的任务在于寻找出某个能 够达到给定目标的动作序列或步骤。规 划专家系统的特点如下：
专家系统的分类
（ 2）
系统能够从不完全的信息中得出 解释，并能对数据作出某些假设。 （3） 系统的推理过程可能很复杂并且 很长，因此要求系统具有对自身的推理 过程作出解释的能力。 作为解释专家系统的例子有语音理解、 图象分析、系统监视、化学结构分析和 信号解释等。
专家系统的分类
2.
专家系统的分类
（3）能够向用户提出测量的数据，并从
不确切信息中得出尽可能正确的诊断。 诊断专家系统的例子很多，如医疗诊 断，电子机械和软件故障诊断以及材料 失效诊断等。用于抗生素治疗的MYCIN、 肝 功 能 检 验 的 PUFF 、 青 光 眼 治 疗 的 CASNET都是国内外颇有名气的实例。
专家系统的基本特征
１、具有专家水平的专门知识
一个专家系统为了能象人类专家那样工
作，就必须具有专家级的知识，知识越 丰富，质量越高，解决问题的能力就越 强。 专家系统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 题求解过程中产生的中间结论，最终结 论等。
知识表示及基本推理方法
符号简单，描述易于理解 自然、严密、灵活、模块化 具有严格的形式定义和理论基础 基于归结法的推理，保证正确
逻辑表示知识小结
逻辑表示法的缺点：
典型系统：自动问答系统QA-3 机器人行为规划系统STRIPS 机器博弈系统FOL
没有提供如何组织知识的信息 无法使用启发式规则 浪费时空，容易产生组合爆炸
本节目录
框架表示法
M.L.Minsky于1974年提出 基本思想是：
人类记忆和使用知识通常是把有关的一些信息组织在 一起形成一个知识单元——框架(Frame) 遇到新情况时，他从其记忆中取出相应的框架，结识、 分析现实世界。
框架为知识的结构化表达提供了一种自然的表示 方法，即：数据结构 框架可与过程性知识（产生式规则）结合
语义网络表示法的缺点
非严格性：由于表达意思依赖于处理程序对它 们的解释，通过推理网络而实现的推理不能像 逻辑方法保证推理的严格性和有效性。 表示形式不一致，使处理复杂 不便于表示判断性知识、深层知识（如与时间 有关的动态知识）
典型系统
语义信息重现系统（Raphael 1968） SIR NLQAS自然语言问答系统（Simmons 1970、 1973）
一阶谓词 产生式 框架 语义网络 自然语言 其他（剧本、神经网络）
知识表示概念（续1）
同一知识可采用不同的表示方法，不同的表示 方法可能产生不同的效果。 知识表示的目的在于通过有效的知识表示，使 人工智能程序能利用这些知识作出决策，获得 结论。 知识表示方法必须具备的四个性质 知识表示的评价标准
表示示例
语义网络表示法
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2018/11/18
北京交通大学经济管理学院信息管理系
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谓词逻辑（3）
用存在量词∃和全称量词∀分别表示特称命题 “存在…满足…”和全称命题“所有的…满 足…”
“有些人不怕死”通过定义谓词M(x):x是人， D(x):x怕死，可以表示为∃x(M(x)∧﹁D(x)) “所有人都是要死的”，定义谓词B(x):x要死的， 可以表示为∀x(M(x)→B(x))
2018/11/18
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谓词逻辑（4）
谓词推理
根据已知事实，使用推理规则，推出新的事 实，直到求解结论
2018/11/18
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谓词逻辑（5）
举例
谓词
管理（x,y）：x管理y 报告（x,y）：x向y报告 事实1：管理（张某，王某） 事实2：管理（王某，李某） 事实3：管理（李某，丁某）
北京交通大学经济管理学院信息管理系 9
2018/11/18
产生式规则（8）
推理树是指按逆向推理把规则库所含总目标作为根 结点，按规则的结论和前提展开成的一棵”树” 举例
R1：A→G R3：I∧J→A R5：X∧F→J R7：M→C R9：W∧Z→M
R2：B∧C→G R4：K→A R6：L→B R8：E→C R10：P∧Q→E
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2018/11/18
北京交通大学经济管理学院信息管理系
谓词逻辑（1）
谓词表示
谓词是刻画客体性质或客体间关系的模式
包含n个客体变量的谓词称为n元谓词，表示为： P(X1,X2,…Xn) 定义谓词P(x):x是质数，则P(3)表示3是质数 定义谓词R(x,y,z):x+y=z，则R(2,3,5)表示2加3 等于5
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北京交通大学经济管理学院信息管理系
3
产生式规则（2）
产生式规则的特点
相同条件可以得出不同结论，即：A→B， A→C 相同结论可以由不同条件获得，即：A→G， B→G 条件之间可以用“与”和“或”连接，如 A∧B→G，A∨B→G 一条规则的结论可以是另一条规则的条件， 如C∧D→F；F∧B→Z
第七章 专家系统的知识表示与 推理
杜晖
2018/11/18
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内容
产生式规则 谓词逻辑 语义网络 框架 剧本 习题
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2018/11/18
产生式规则（1）
产生式规则的表示
如果A成立，那么B成立，简记为：A→B
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产生式规则（4）
举例
问题
根据产生式规则，诊断疾病并提出治疗方案 R1：毛囊皮根微红肿→轻型 R2：鼻塞流涕→外感风热 R3：舌苔薄黄∧胃纳差→胃肠积热 R4：眼睑局部明显红肿→重型 R5：眼睑局部红肿∧顶尖有脓点→重型
产生式规则
2018/11/18
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产生式规则（9）
推理树
G
A
B
C
I
J
K
L
M
E
X
2018/11/18
F
W
Z
P
Q
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产生式规则（10）
逆向推理
G
1 7 9
A
2 3 6
B
8
C
10
I(y)
4
J
5
K(n)
L(y)
11 12
M
E
X(y)
F(n)
W(y)
Z(y)
P
Q
12
2018/11/18
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产生式规则（11）
计算机上实现逆向推理的数据结构
栈
当调用规则时，将其压入栈（相当于对树的搜 索），当求出规则结论（yes或no）时，将其 退栈（相当于对树的回溯），完成对推理树的 深度优先搜索和回溯 规则编号 R3 R1 前提表 I ，J A 结论 I A G
事实
谓词逻辑（6）
推理规则
规则1：推理的任何步骤上都可以引入事实 规则2：A→B，A|-B 规则3：A，B|-A∧B 规则4：∀x∀y(管理(x,y)→报告(y,x)) 规则5：∀x∀y∀z(管理(x,y)∧报告(z,y)→报告 (z,x)) 报告（丁某，张某）成立
2018/11/18
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产生式规则（6）
正向推理
使用规则 事实变动情况 输入“眼睑局部红肿”∧“顶尖 有脓点”∧“舌苔薄黄”∧“胃 纳差” 加入“胃肠积热” 加入“重型” 加入“重积热型” 加入“放血法”
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循环次数
1 2 3 4
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6
产生式规则（5）
R6：脓点破溃→晚期 R7：轻型∧外感风热→轻风热型 R8：重型∧外感风热→重风热型 R9：重型∧胃肠积热→重积热型 R10：轻型→散瘌法 R11：晚期→外敷药物 R12：轻风热型→散瘌加罐 R13：重风热型→挑瘌加罐 R14：重积热型→放血法
2018/11/18
R3 R5 R9 R14
产生式规则（7）
逆（反）向推理
从目标开始，寻找以目标为结论的规则，并对该 规则的前提进行判断 若前提中某子项是另一规则的结论，则找此结论 的规则 重复以上过程，直到对某规则的前提能够进行判 断 按对规则前提的判断（“是”或“否”）得出对 结论的判断，并回溯到对上一规则的推理，一直 回溯到对目标的判断
命题由谓词客体变量取固定值后确定
2018/11/18
北京交通大学经济管理学院信息管理系
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谓词逻辑（2）
可以用逻辑联结词∧（合取），∨（析取）， ﹁（非），→（蕴含）把简单命题组合成复 杂命题表示复杂知识
“如果李世民是文成公主的父亲，而李治是李世 民的儿子，则文成公主和李治是兄妹”。通过定 义谓词A(x,y):x是y的父亲，B(x,y):x是y的儿子， C(x,y):x与y是兄妹，可表示为(A(李世民，文成 公主)∧B(李治，李世民))→C(文成公主，李治)
北京交通大学经济管理学院信息管理系 4
2018/11/18
产生式规则（3）
产生式规则的推理
正向推理
搜索规则（知识）库，逐条检查规则的前提在事 实库中是否存在 若各子项不全都存在，则放弃该规则；若全都存 在，则执行该规则，并把结论放入事实库 反复执行以上过程，直至推出目标
2018/11/18