第7章 专家系统人工智能
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人工智能专家系统
人工智能专家系统人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）专家系统是一种基于计算机技术和人类专家经验的智能化系统。
它能够模拟和实现人类专家在特定领域的问题解决能力，可以用于辅助决策、问题诊断和解决方案推荐等方面。
本文将从专家系统的定义、原理、组成和应用等四个方面进行论述。
一、专家系统的定义专家系统是一种基于知识工程的人工智能系统，它通过模拟和利用领域专家的经验和知识来解决特定领域的问题。
专家系统主要由知识库、推理机和用户界面三部分组成。
知识库存储了经验和知识，推理机则对知识进行推理和运算，用户界面则提供了用户与系统进行交互的接口。
二、专家系统的原理专家系统的原理可以概括为知识获取、知识表示、知识推理和知识应用四个步骤。
知识获取是指将专家的经验和知识进行提取和整理，并存储到系统的知识库中；知识表示是指将知识以适当的形式进行表达和组织，以便系统能够理解和推理；知识推理是指根据系统中的知识，通过推理机对问题进行分析和推理；知识应用是指将推理得到的结果转化为实际解决方案，供用户使用。
三、专家系统的组成专家系统主要由知识库、推理机和用户界面三部分组成。
知识库是专家系统存储知识和经验的地方，常见的形式包括规则库、案例库和模型库等。
推理机是专家系统进行推理和运算的核心组件，它能够根据知识库中的知识进行逻辑推理和问题求解。
用户界面则提供了用户与系统进行交互的接口，使用户能够方便地向系统提供问题并获取解决方案。
四、专家系统的应用专家系统在各个领域都有广泛的应用。
在医疗领域，专家系统可以用于辅助疾病诊断和治疗方案选择；在金融领域，专家系统可以用于风险评估和投资决策；在工业领域，专家系统可以用于故障诊断和维修指导。
此外，专家系统还可以应用于法律、教育、交通等领域，为人们提供更加智能化和便捷化的服务。
综上所述，人工智能专家系统是一种基于计算机技术和人类专家经验的智能化系统。
它能够模拟和实现人类专家在特定领域的问题解决能力，具有广泛的应用前景。
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。
7 第7章 智能控制
PS NM NS NS ZO ZO
PM NB NB NM NM NS
PB NB NB NB NM NM
NB NS ZO PS PB
R1：如果E是NB 且 EC是NB，则U是NB
第一节 模糊控制 二.模糊控制器
3. 模糊推理
利用模糊规则和近似推理获得模糊控制作用
C ( z ) { [ A ( x ) A ( x )]} { [ B ( y ) B ( y )]} C ( z )
第二节 专家规则控制 二.专家系统
专家系统结构
第二节 专家规则控制 二.专家系统
(1) 知识库：存储某个具体领域的专门知识
产生式规则，if … then … (2) 数据库 表征应用对象的特性、状态、求解目标等 (3) 推理机：自动推理的计算机软件
运用知识库提供的知识，基于某种通用的问题 求解模型，自动推理、求解问题
情况
偏差及导数的变化、生产要求或负荷的变化、 设备情况的变化、环境条件的变化
规则 来自知识
如产生式规则：if … then …
第二节 专家规则控制
专家规则控制可在3个层次实施
基本控制层：用一组控制规则作为控制率，依 据工况的不同，选用不同的规则
特性监测控制层：依据控制过程情况，选用不 同的控制器参数，仍采用传统的控制器 监督层：进行有效的决策或选择适当的控制器 结构
x y
( 1 2 ) C 1 ( z )
ω1∧ω2表示“如果x 是A’且y是B’”对于“如果x 是A且y是B”的匹配程度，称为激励函数
第一节 模糊控制 一.模糊数学基础
模糊推理过程
μ A1 A’ μ min
第7章专家系统人工智能
Reasoning Machine can select various relative knowledge from KB and construct problem solving sequences according to the particulars of the specific solved problems.
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
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
第七章 专家系统
在已知状况的分析，推断未来可能发生的情 况。预测专家系统具有下列特点：
(a) 系统处理的数据随时间变化，而且可 能是不准确和不完全的。
(b) 系统需要有适应时间变化的动态模型， 能够从不完全和不准确的信息中得出预报， 并达到快速响应的要求。
预测专家系统的例子有气象预报、军事 预测、人口预测、交通预测、经济预测和谷 物产量预测等。例如，恶劣气候(包括暴雨、 飓风、冰雹等)预报、战场前景预测和农作物 病虫害预报等专家系统。
❖ 当前提为真时，该规则将前提与一个行为结 合起来，否则与另一个行为结合起来，并且 可以用一个-1到+1之间的数字来表示在该前 提下行为的可信程度。如一条判断细菌类别 的规则可表示如下：
❖ 其含意如下： 如果培养物的部位是血液 细菌的类别确不知道 细菌的染色是革蓝氏阴性 细菌的外形是杆状 病人被严重地烧伤 那么以不太充分的证据(可信程度0.4)说
7.1 专家系统概述
❖ 研究背景
专家系统（expert system expert system），是人工 智能应用研究领域中非常活跃和非常广泛的课题 之一。
❖ 定义
专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的 知识与经验智能计算机程序系统，它能够利用人 类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问 题。
(4) 解释器(explanator) 解释器能够向用户解释专家系统的行为，
包括解释推理结论的正确性以及系统输出其 它候选解的原因。
(5) 接口(interface) 接口又称界面，它能够使系统与用户进
行对话，使用户能够输入必要的数据、提出 问题和了解推理过程及推理结果等。系统则 通过接口，要求用户回答提问，并回答用户 提出的问题，进行必要的解释。
监视专家系统可用于核电站的安全监视、 防空监视与警报、国家财政的监控、传染病 疫情监视及农作物病虫害监视与警报等。粘 虫测报专家系统是监视专家系统的一个实例。
(a) 系统处理的数据随时间变化，而且可 能是不准确和不完全的。
(b) 系统需要有适应时间变化的动态模型， 能够从不完全和不准确的信息中得出预报， 并达到快速响应的要求。
预测专家系统的例子有气象预报、军事 预测、人口预测、交通预测、经济预测和谷 物产量预测等。例如，恶劣气候(包括暴雨、 飓风、冰雹等)预报、战场前景预测和农作物 病虫害预报等专家系统。
❖ 当前提为真时，该规则将前提与一个行为结 合起来，否则与另一个行为结合起来，并且 可以用一个-1到+1之间的数字来表示在该前 提下行为的可信程度。如一条判断细菌类别 的规则可表示如下：
❖ 其含意如下： 如果培养物的部位是血液 细菌的类别确不知道 细菌的染色是革蓝氏阴性 细菌的外形是杆状 病人被严重地烧伤 那么以不太充分的证据(可信程度0.4)说
7.1 专家系统概述
❖ 研究背景
专家系统（expert system expert system），是人工 智能应用研究领域中非常活跃和非常广泛的课题 之一。
❖ 定义
专家系统是一个含有大量的某个领域专家水平的 知识与经验智能计算机程序系统，它能够利用人 类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问 题。
(4) 解释器(explanator) 解释器能够向用户解释专家系统的行为，
包括解释推理结论的正确性以及系统输出其 它候选解的原因。
(5) 接口(interface) 接口又称界面，它能够使系统与用户进
行对话，使用户能够输入必要的数据、提出 问题和了解推理过程及推理结果等。系统则 通过接口，要求用户回答提问，并回答用户 提出的问题，进行必要的解释。
监视专家系统可用于核电站的安全监视、 防空监视与警报、国家财政的监控、传染病 疫情监视及农作物病虫害监视与警报等。粘 虫测报专家系统是监视专家系统的一个实例。
7人工智能导论
7.2 专家系统的概念
7.2.1 专家系统的定义 7.2.2 专家系统的特点
12
7.2.1 专家系统的定义
1. 定义
费根鲍姆（E. A. Feigenbaum）： “专家系统是一种智能的计算机程序，它运用知识和推 理来解决只有专家才能解决的复杂问题。”
专家系统：一类包含知识和推理的智能计算机程序 。
（6）系统的体系结构不同。
17
（2）传统程序：关于问题求解的知识隐含于程序中。 专家系统：知识单独组成知识库，与推理机分离。
（3）处理对象： 传统程序：数值计算和数据处理。 专家系统：符号处理。
16
7.2.2 专家系ຫໍສະໝຸດ 的特点o 专家系统与传统程序的比较
（4）传统程序：不具有解释功能。 专家系统：具有解释功能。
（5）传统程序：产生正确的答案。 专家系统：通常产生正确的答案，有时产生错误的答案。
13
7.2.1 专家系统的定义
2. 专家系统的基本组成
知识库
数据库 规则库
知识获取
推理机
解释程序 调度程序
推理咨询
专家
系统用户
14
7.2 专家系统的概念
7.2.1 专家系统的定义 7.2.2 专家系统的特点
15
7.2.2 专家系统的特点
o 专家系统与传统程序的比较
（1）编程思想： 传统程序 = 数据结构+算法 专家系统 = 知识+推理
7.2.1 专家系统的定义 7.2.2 专家系统的特点
12
7.2.1 专家系统的定义
1. 定义
费根鲍姆（E. A. Feigenbaum）： “专家系统是一种智能的计算机程序，它运用知识和推 理来解决只有专家才能解决的复杂问题。”
专家系统：一类包含知识和推理的智能计算机程序 。
（6）系统的体系结构不同。
17
（2）传统程序：关于问题求解的知识隐含于程序中。 专家系统：知识单独组成知识库，与推理机分离。
（3）处理对象： 传统程序：数值计算和数据处理。 专家系统：符号处理。
16
7.2.2 专家系ຫໍສະໝຸດ 的特点o 专家系统与传统程序的比较
（4）传统程序：不具有解释功能。 专家系统：具有解释功能。
（5）传统程序：产生正确的答案。 专家系统：通常产生正确的答案，有时产生错误的答案。
13
7.2.1 专家系统的定义
2. 专家系统的基本组成
知识库
数据库 规则库
知识获取
推理机
解释程序 调度程序
推理咨询
专家
系统用户
14
7.2 专家系统的概念
7.2.1 专家系统的定义 7.2.2 专家系统的特点
15
7.2.2 专家系统的特点
o 专家系统与传统程序的比较
（1）编程思想： 传统程序 = 数据结构+算法 专家系统 = 知识+推理
智能控制第七章 专家系统
7.4 专家控制系统
1、结构原理图
间接专家系统控制图2
7.4 专家控制系统
2、专家系统PLD控制结构设计
用专家系统实现智能PND控制的过程，实际上是模拟操作 人员调解PID参数判断和决策过程，是将数字PID控制方法 与专家系统融合起来，从模仿人征订参数的推理决策入手， 以经典Ziegler-Nichols相现在最优控制征订规则为基础，利 用实时控制信息和系统输出信息，将归纳为一系列征订规则， 并把征订过程分成预整定和自整定两部分，预整定运用于系 统初始投入运行且无法给出PID初始参数的场合，自整定运 用于系统正常运行时，不必再辨别对象特性和参数控制，只 需随对象特性的变化而进行迭代优化的场合。
7.2 专家系统的知识表示法
(1) 黑板：黑板用于存储所有知识源可访问的知识，它的全局数据结构被用 于组织问题求解数据，并处理各知识源之间的通讯问题。放在黑板上的对象 可以是输入数据、局部结果、假设、选择方案和最后结果等。各知识源之间 的交互作用是通过黑板执行的。一个黑板可被分割为无数个子黑板；也就是 说，按照求解问题的不同方面，可把黑板分为几个黑板层。 (2) 知识源：知识源是领域知识的自选模块；每个知识源可视为专门用于处 理一定类型的较窄领域信息或知识的独立程序，而且具有决定是否应当把自 身信息提供给问题求解过程的能力。黑板系统中的知识源是独立分开的，每 个知识源具有自己的工作过程或规则集合和自有的数据结构，包含知识源正 确运行所必须的信息。知识源的动作部分执行实际的问题求解，并产生黑板 的变化。知识源能够遵循各种不同的知识表示方法和推理机制。因此，知识 源的动作部分可为一个含有正向／逆向搜索的产生式规则系统，或者是一个 具有填槽过程的基于框架的系统。 (3) 控制器：黑板系统的主要求解机制是由某个知识源向黑板增添新的信息 开始的。然后，这一事件触发其它对新送来的信息感兴趣的知识源。接着， 对这些被触发的知识源执行某些测试过程，以决定它们是否能够被合法执行。 最后，一个被触发了的知识源被选中，执行向黑板增添信息的任务。这个循 环不断进行下去。
人工智能专家系统PPT-28张课件
专家系统的开发
2.专家系统的基本设计思想与基本设计原则
(6) 以各种事例来试验所设计的系统。 研究那些产生不准确结论的事例，并且确定 系统可以做些什么修改以校正错误。修改系 统后要检验系统对这些事例产生的结果以及 系统的这些修改对其它事例的影响。
专家系统的开发
2.专家系统的基本设计思想与基本设计原则
各类专家系统之间具有一些共同的问题。 对于一些任务相似的专家系统，由于问题特 征不同而具有不同的求解方法；而另一些任 务不同的专家系统，由于问题性质相近而具 有类似的求解方法。显然，从问题的一般特 征出发来考虑建立模型的方法，能够更易于 抓住问题的本质。
专家系统的开发
3.专家系统的开发工具 目前国外出现了许多专用的专家系统工
•
6、无论你正遭遇着什么，你都要从落魄中站起来重振旗鼓，要继续保持热忱，要继续保持微笑，就像从未受伤过一样。
•
7、生命的美丽，永远展现在她的进取之中;就像大树的美丽，是展现在它负势向上高耸入云的蓬勃生机中;像雄鹰的美丽，是展现在它搏风击雨如苍天之魂的翱翔中;像江
河的美丽，是展现在它波涛汹涌一泻千里的奔流中。
专家系统的开发
3.专家系统的开发步骤
(1) 设计初始知识库。知识库的设计是 建立专家系统最重要和最艰巨的任务。初始 知识库的设计包括：
(c) 概念形式化，即确定用来组织知 识的数据结构形式，应用人工智能中各种知 识表示方法把与概念化过程有关的关键概念 、子问题及信息流特性等变换为比较正式的 表达，它包括假设空间、过程模型和数据特 性等。
•
4、心中没有过分的贪求，自然苦就少。口里不说多余的话，自然祸就少。腹内的食物能减少，自然病就少。思绪中没有过分欲，自然忧就少。大悲是无泪的，同样大悟
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6.1.2 Structures & Building Step of ES 专家系统的结构和建造步骤
定义：指专家系统各组成部分的构造方法和组织 形式 专家系统结构
Expertise Knowledge Base
Input or Qห้องสมุดไป่ตู้ery
Reasoning Machine
Answer
Fig 6.1 Simplified block diagram of expert system
Reasoning Machine can select various relative knowledge from KB and construct problem solving sequences according to the particulars of the specific solved problems.
问题求解过程中知识应用的合理性可由检验专家 系统的解释推理路径来验证。
Flexibility 灵活性
Ability to extend and enrich the KB, and selflearning ability
专家系统的灵活性是指它的扩展和丰富知识库的 能力，以及改善非编程状态下的系统性能，即自 学习能力。
Transparency 透明性
Expert system can interpret its own inference process and answer user’s queries, so that user can understand the inference process，enhance the believe to ES。
Advantages of ES 优点
能高效、准确、周到、迅速和不知疲倦地工作。 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也 不会遗漏和忘记。 使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍 贵和稀缺的专家知识与经验。 专家系统能促进各领域的发展，使各领域专家的专 业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传 播专家的知识、经验和能力。
专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以 及他们协作解决重大问题的能力。
军事专家系统的水平是一个国家国防现代化 的重要标志之一。
专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效 益和社会效益。
研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。 专家系统对人工智能各个领域的发展起了很 大的促进作用，并将对科技、经济、国防、 教育、社会和人民生活产生极其深远的影响。
What is an Expert System?
Experts are people who are very familiar with solving specific types of problems. Expert system is an intelligent computer program that can perform special and difficult task in some field at the level of human experts. Expert system has been one of most active and important application fields of AI. Expert systems are mostly domain specific. Expert system has a very wide field of applications.
Advantages of ES 优点
Provides consistent answers for repetitive decisions, processes and tasks Holds and maintains significant levels of information Encourages organizations to clarify the logic of their decision-making Never "forgets" to ask a question, as a human might
专家系统是模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。 专家系统的基本功能取决于它所含有的知识，因此也把专家 系统称为基于知识的系统（knowledge-based system）。
6.1.1 Feature of Expert System (ES) 专家系统的特点
Heuristic 启发性
专家系统要解决的问题，其结构往往是不合理的， 其问题求解（problem-solving）知识不仅包括 理论知识和常识，而且包括专家本人的启发知识。 Use heuristic knowledge of expert to make inference, judgment, decision and conclusion.
理想专家系统的结构图
用户
接口
解释器
事实 规则
知识库
计划
执行器
议程
调度器
中间解 黑板
协调器
图6.2 理想专家系统的结构图
Ideal Architecture of ES
Knowledge Base Global Database Reasoning Machine Explanator Interface
6.1 Introduction
费根鲍姆把专家系统定义为一个应用知识和推理过程来求解 需要大量的人类专家解决难题经验的智能计算机程序。
专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它 应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专 家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决 策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。
Ch.6 Expert Systems 第六章 专家系统
6.1 概述 6.2 基于规则的专家系统 6.3 基于框架的专家系统 6.4 基于模型的专家系统 6.5 基于Web的专家系统 6.6 新型专家系统 6.7 专家系统设计 6.8 专家系统开发工具 6.9 小结
6.1 Introduction 专家系统概述