专家系统简介
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专家系统
由于规则条数不多，搜索空间很小，推理机构(IE) 就十分简单，采用向前推理方法逐次判别各种规则的 条件，满足则执行，否则继续搜索。
特征识别与信息处理(FR＆IP)部分的作用是实现 对信息的提取与加工，为控制决策和学习适应提供依 据。它主要包括抽取动态过程的特征信息，识别系统 的特征状态，并对特征信息作必要的加工。
设U为专家控制器的输出集， E为专家控制器的输入集， I为推理机构的输出集，K为经验知识集：
E = (R, e, Y, U)，e = R – Y
式中，Ｒ为参考控制输入，ｅ为误差信号，Ｙ为受控输出， Ｕ为控制器的输出集。专家控制器的模型表示为
U = f (E,K,I)
智能算子f为几个算子的复合运算：f=g·h·p，其中： g:E→S；h:S×K→I；p:I→U
专家系统所要解决的问题一般没有算法解，并 且经常要在不完全、不精确或不确定的信息基础 上做出结论。
第一代专家系统只能利用人类专家的启发式知 识，即只能利用浅层表达方式和推理方法。
但遇到新问题时，还必须利用掌握的深入表示 事物的结构、行为和功能等方面的基本模型等深 层知识，得出新的启发式浅层知识。
智能程序：旨在模拟人类专家的智能程序应当 兼备浅层和深层两类知识。即不但采用基于规则 的方法，还必须采用基于模型的原理构成新一代 专家系统。
知识工程是指由知识工程师从人类专家那里抽 取他们求解问题的过程、策略和经验规则，然后 把这些知识建造在专家系统之中。
目前，专家系统在各个领域中已经得到广 泛应用，如医疗诊断、语音识别、图像处理、 金融决策、地质勘探、是有化工、军事、计 算机设计等。
专家系统具有启发性，能够运用人类专 家的经验和知识进行启发式搜索、试探性 推理、不精确推理或不完全推理
特征识别与信息处理(FR＆IP)部分的作用是实现 对信息的提取与加工，为控制决策和学习适应提供依 据。它主要包括抽取动态过程的特征信息，识别系统 的特征状态，并对特征信息作必要的加工。
设U为专家控制器的输出集， E为专家控制器的输入集， I为推理机构的输出集，K为经验知识集：
E = (R, e, Y, U)，e = R – Y
式中，Ｒ为参考控制输入，ｅ为误差信号，Ｙ为受控输出， Ｕ为控制器的输出集。专家控制器的模型表示为
U = f (E,K,I)
智能算子f为几个算子的复合运算：f=g·h·p，其中： g:E→S；h:S×K→I；p:I→U
专家系统所要解决的问题一般没有算法解，并 且经常要在不完全、不精确或不确定的信息基础 上做出结论。
第一代专家系统只能利用人类专家的启发式知 识，即只能利用浅层表达方式和推理方法。
但遇到新问题时，还必须利用掌握的深入表示 事物的结构、行为和功能等方面的基本模型等深 层知识，得出新的启发式浅层知识。
智能程序：旨在模拟人类专家的智能程序应当 兼备浅层和深层两类知识。即不但采用基于规则 的方法，还必须采用基于模型的原理构成新一代 专家系统。
知识工程是指由知识工程师从人类专家那里抽 取他们求解问题的过程、策略和经验规则，然后 把这些知识建造在专家系统之中。
目前，专家系统在各个领域中已经得到广 泛应用，如医疗诊断、语音识别、图像处理、 金融决策、地质勘探、是有化工、军事、计 算机设计等。
专家系统具有启发性，能够运用人类专 家的经验和知识进行启发式搜索、试探性 推理、不精确推理或不完全推理
G2 人工智能专家系统介绍 - 华南理工大学
5
应用于实验平台
实时专家系统 G2
过程优化和规划 GAMS
…
过程稳态模拟 Aspen plus，Pro/II
高端分析研究与开 发
数据校正 DataCON
数据采集、过程监控
集散控制系统（DCS）
数据采集与校正 系统控制
过程系统模拟器 Dynamic，Lab CVI
系统模拟
6
G2 Matlab Aspen plus Gams
8
9
10
11
12
13
14
15
实时专家系统－G2介绍
2020/10/13
1
主要内容
1. 什么是专家系统 2. 关于G2 3. G2使用
2
1. 什么是专家系统
专家系统（Expert System）是一个具有智能特点的 计算机程序，它的智能化主要表现为能够在特定的 领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题。
专家系统应用(Expert System Application)是针对实 际领域，建造专家系统，用来辅助或代替领域专家 解决实际问题。
专家系统是人工智能的重要分支 专家系统的应用几乎渗透到各行各业。
3
IF 能做单腿跳吗 = 否 AND 在苏格兰吗 = 是 AND 高度 = 大
THEN 动物 = 马
4
2.关于G2
Ｇ2——Ｇｅｎｓｙｍ公司 应用于连续工业过程控制、制造系统中的生产
调度、故障诊断以及经营过程优化和重组等领 域 响应时间迅速－－实时 为用户提供了面向对象建模机制 通过“工作空间”(workspace)来管理知识库 采用三种机制实现实时推理
实验平台拓扑结构图
横河 CS1000组态软件
过程系统集成 相关运行任务
应用于实验平台
实时专家系统 G2
过程优化和规划 GAMS
…
过程稳态模拟 Aspen plus，Pro/II
高端分析研究与开 发
数据校正 DataCON
数据采集、过程监控
集散控制系统（DCS）
数据采集与校正 系统控制
过程系统模拟器 Dynamic，Lab CVI
系统模拟
6
G2 Matlab Aspen plus Gams
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实时专家系统－G2介绍
2020/10/13
1
主要内容
1. 什么是专家系统 2. 关于G2 3. G2使用
2
1. 什么是专家系统
专家系统（Expert System）是一个具有智能特点的 计算机程序，它的智能化主要表现为能够在特定的 领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题。
专家系统应用(Expert System Application)是针对实 际领域，建造专家系统，用来辅助或代替领域专家 解决实际问题。
专家系统是人工智能的重要分支 专家系统的应用几乎渗透到各行各业。
3
IF 能做单腿跳吗 = 否 AND 在苏格兰吗 = 是 AND 高度 = 大
THEN 动物 = 马
4
2.关于G2
Ｇ2——Ｇｅｎｓｙｍ公司 应用于连续工业过程控制、制造系统中的生产
调度、故障诊断以及经营过程优化和重组等领 域 响应时间迅速－－实时 为用户提供了面向对象建模机制 通过“工作空间”(workspace)来管理知识库 采用三种机制实现实时推理
实验平台拓扑结构图
横河 CS1000组态软件
过程系统集成 相关运行任务
专家系统
3
7.1.2 专家系统的特征
具有专家水平的知识：必须表现专家的技能和高度的技巧以及足够 的鲁棒性。系统的鲁棒性是指不管数据正确与否，都能够得到正确的 结论或者指出错误。
能进行有效的推理：能够运用专家的经验和知识进行搜索、推理。
具有透明性：在推理时，不仅能够得到答案，而且还能给出推理的 依据
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2） 控制知识的获取 控制知识是从控制专家或专门操作人员的操作过程基础上概括、总结归 纳而成的。 控制知识总结为“IF 3） 推理方法的选用 对于简单的知识结构，可采用以数据驱动的正向推理方法，逐次判别 各规则的条件，若满足条件执行该规则，否则继续搜索。 THEN ”形式的启发式规则
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例如一个温度专家控制规则的获取过程如下： 控制输入量为温度给定值与热电偶测量反馈信号的误差，输出量为双向可控硅 导通率。
3) 控制器
其作用是说明下一步应该选用什么规则，也就是如何运用规则。通常从选 择规则到执行规则分成三步：匹配、冲突解决和操作。 ① 匹配。把数据库和规则的条件部分相匹配。如果两者完全匹配，则把这 条规则称为触发规则。当按规则的操作部分去执行时，这条规则称为被启 用规则。 ② 冲突解决。当有一个以上的规则条件和当前数据库相匹配时，就需要决 定首先使用哪一条规则，这称为冲突解决。 ③ 操作。操作就是执行规则的操作部分，经过操作以后，当前数据库将被 修改。然后，其他的规则有可能被使用。
5
7.2 专家系统的知识表示方法
知识表示就是知识的形式化，就是研究用机器表示知识的可行的、有效 的、通用的原则和方法。 目前用于专家系统的知识表示中，产生式方法是最常用的一种方法。通 常，产生式系统包含下述3个基本组成部分：
规则库
数据库 控制器
人工智能专家系统
1 专家系统概述
1.1 专家系统的产生与发展
4. 需要进一步研究并加以解决的问题
知识的自动获取方法、深层知识的表示和利用方法、分布式 知识的处理方法以及知识的完备性等问题都是要继续探讨和研 究的。
1 专家系统概述
1.2 专家系统的定义
到目前为止，有关专家系统还没有一个严格公认的形式化定义。但 人们普遍认为，专家系统是一种具有大量专门知识与经验的智能程序 系统，它能运用某个领域一个或多个专家多年积累的经验和专门知识， 模拟领域专家求解问题时的思维过程，以解决该领域中的各种复杂问 题。也就是说，专家系统具有三个方面的含义： 它是一种具有智能的程序系统。能运用专家知识和经验进行推理的 启发式程序系统。 它必须包含有大量专家水平的领域知识，并能在运行过程中不断地 对这些知识进行更新。 它能应用人工智能技术模拟人类专家求解问题的推理过程，解决那 些本来应该由领域专家才能解决的复杂问题。
1 专家系统概述
1.1 专家系统的产生与发展 1976年，专家系统MYCIN由美国斯坦福大学的E.H.Shortliffe开发 成功，其主要设计目的是为细菌感染疾病提供抗菌剂治疗建议 。 MYCIN还首次使用了目前专家系统中常用的知识库的概念，并在不确 定性的表示和处理中采用了可信度的方法。 1976 年 ， 美 国 斯 坦 福 大 学 国 际 研 究 所 人 工 智 能 研 究 中 心 的 R.O.Duda等人研制成功一个探矿专家系统ROSPECTOR，该系统把矿 床模型按计算机能解释的形式编码，随后利用这些模型进行推理，达 到勘探评价、区域资源估值、钻井井位选择的目的。 进入20世纪80年代以后，专家系统的研发开始趋于商品化。
1 专家系统概述
1.1 专家系统的产生与发展 1.产生与发展过程 1968 年世界上的第一个专家系统 DENDRAL 在美国的斯坦福 大学研发成功。DENDRAL是世界上第一例成功的专家系统，它的 出现标志着人工智能的一个新领域——专家系统的诞生。 20世纪60年代末，美国麻省理工学院开始研究用于解决复杂 微积分运算和数学推导的专家系统MACSYMA。卡内基—梅隆大学 在同一时期也开发了一个用于语音识别的专家系统 HEARSAY ，并 相继研发成功HEARSAY—II和HEARSAY—III。 1974年，匹兹堡大学研制成功内科病诊断咨询系统 INTERNIST， 并在以后对其不断完善，使之发展成专家系统CADUCEUS。
5-专家系统
13
人工智能原理
知识库
• 包括两部分 已知的同当前问题有关的数据信息； 进行推理时要用到的一般知识和领域知识。 • 知识以规则、网络和过程等形式表示。
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人工智能原理
• 调度器：按照系统建造者所给的控制知识从议程中选择一个 项作为系统下一步要执行的动作 • 执行器：应用知识库及黑板中记录的信息，执行调度器所选 定的动作。 • 协调器：得到新数据或新假设时，对已得到的结果进行修正， 以保持结果前后一致。
军事指挥调度系统 ROPES机器人规划专家系统 汽车和火车运行调度专家系统 小麦和水稻施肥专家系统。
27
人工智能原理
(6) 监视专家系统 • 任务：
对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应 当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。
• 特点：
系统应具有快速反应能力，在造成事故之前及时发出警报。 系统发出的警报要有很高的准确性。 系统能够随时间和条件的变化而动态地处理其输入信息。
中科院数学研究所研制了专家系统开发环境“天马” 中科院计算所研制了面向对象专家系统开发工具“OKPS”。 5
人工智能原理
专家系统的特点
• 启发性 运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。
• 透明性 解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，让用户了解 推理过程，提高对专家系统的信赖感。 • 灵活性 不断增长知识，修改原有知识，不断更新。
(4) 解释器(explanator)
• 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)
• 又称界面，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。
人工智能原理
知识库
• 包括两部分 已知的同当前问题有关的数据信息； 进行推理时要用到的一般知识和领域知识。 • 知识以规则、网络和过程等形式表示。
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人工智能原理
• 调度器：按照系统建造者所给的控制知识从议程中选择一个 项作为系统下一步要执行的动作 • 执行器：应用知识库及黑板中记录的信息，执行调度器所选 定的动作。 • 协调器：得到新数据或新假设时，对已得到的结果进行修正， 以保持结果前后一致。
军事指挥调度系统 ROPES机器人规划专家系统 汽车和火车运行调度专家系统 小麦和水稻施肥专家系统。
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人工智能原理
(6) 监视专家系统 • 任务：
对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应 当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。
• 特点：
系统应具有快速反应能力，在造成事故之前及时发出警报。 系统发出的警报要有很高的准确性。 系统能够随时间和条件的变化而动态地处理其输入信息。
中科院数学研究所研制了专家系统开发环境“天马” 中科院计算所研制了面向对象专家系统开发工具“OKPS”。 5
人工智能原理
专家系统的特点
• 启发性 运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。
• 透明性 解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，让用户了解 推理过程，提高对专家系统的信赖感。 • 灵活性 不断增长知识，修改原有知识，不断更新。
(4) 解释器(explanator)
• 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)
• 又称界面，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。
专家系统
从数据库中挖掘的规则可以有以下多种表达形式：关联 规则、特征规则、异常规则、转移规则、序列规则、分类和 聚类等。 数据挖掘的应用对象是大规模数据库，目标是发现数据 库中规律性的知识。数据挖掘提取的知识可以表示为概念、 规律、模式、约束和可视化。 在知识获取技术方面，基于数据挖掘的专家系统可以极 大缓解专家系统的知识瓶颈问题。它不再是知识工程师从领 域专家中提取规则，将其转换为知识，而是从领域专家提供 的大量数据中自动获取知识。数据挖掘中的数据预处理模块 可以在知识的获取中减小噪声数据的影响，提高知识获取的 正确性。 在推理技术方面，数据挖掘技术是以数据库系统、数据 仓库统计学等为基础的。而数据仓库主要特点就是：它是面 向主题的，库中的数据是多维的。数据挖掘器在推理时可以 根据不同需要将不同维度内的运行状态参数综合起来一起分 计算，即运用数据挖掘算法来进行全方位推理。这可以克服
你说: 苏格拉底 = TRUE 建议证实.
与家系统工作原理 ------正向推理(Forward Reasoning) (续) 总结：推理机的工作过程如下： （1）推理机将知识库中的规则前提与这些事实进行匹配；
一般是将每条规则的<前提>取出来，验证这些前提是否在
数据库中，若都在，则匹配成功；不然的话，则取下一条 规则进行匹配。 （2）把匹配成功的规则的<结论>作为新的事实添加到综合 数据库中。
在
此假设成立
结束
是
向用户提问
有此事实否？ 有 将事实记录数据库
无
找出规则之一的1个前提 作为新的假设 结束
或
反向推理原理图
与家系统工作原理 ------反向推理(Reverse Reasoning) （续）
该动物是金钱豹
医学专家系统概述
医学专家系统概述
医学专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，它应人工智能技术，根据某个领域一个或多个人类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，以解决那些需要专家决定的复杂问题。
医学专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测、诊断、提供治疗方案等。
高性能的医学专家系统也已经从学术研究开始进入临床应用研究。
随着人工智能整体水平的提高，医学专家系统也将获得发展，正在开发的新一代专家系统有分布式专家系统和协同式专家系统等，其在医学领域的应用将更有利于临床疾病诊断与治疗水平的提高。
医学人工智能是人工智能发展出来的一大分支，它将为医学诊疗问题提供解决方案，研究最多且成果最显著的是医学专家系统。
医学专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术，根据某个领域一个或多个人类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，以解决那些需要专家决定的复杂问题。
专家系统是目前人工智能中最活跃、最有成效的一个研究领域。
第8章专家系统
◆例子 ：可用于核电站的安全监视、防空监视与预警、国家 财政的监控、传染病疫情监视及农作物病虫害监视与报警 等。如粘虫测报专家系统是监视专家系统的一个实例。
第十五页，编辑于星期三：二十三点 五十五分。
控制专家系统
◆任务 ：自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为， 使之满足预期要求。
◆特点 ：控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执 行等多种功能。
(2)从处理问题的方法看，专家系统则是靠知识和推 理来解决问题（不像传统软件系统使用固定的算法来解 决问题），所以，专家系统是基于知识的智能问题求解 系统。
第七页，编辑于星期三：二十三点 五十五分。
(3)从系统的结构来看，专家系统则强调知识与推理 的分离，因而系统具有很好的灵活性和可扩充性。
(4)专家系统一般还具有解释功能，即在运行过程中 一方面能回答用户提出的问题，另一方面还能对最后的 输出（结论）或处理问题的过程作出解释。
◆例子 ：军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专家系 统、汽车和火车运行调度专家系统以及小麦和水稻施 肥专家系统等。
第十四页，编辑于星期三：二十三点 五十五分。
监视专家系统
◆任务 ：对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观 察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情 况，发出警报。
◆特点 ：系统应具有快速反应能力，应在造成事故之前及时 发出报警；发出的警报要有很高的准确性，不能假报警； 能够随时间和条件的变化动态地处理其输入信息。
(5)有些专家系统还具有”自学习”能力，即不断对 自己的知识进行扩充、完善和提炼。这一点是传统系统 所无法比拟的。
(6)专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘，易受环境、 情绪等的影响，它可始终如一地以专家级的高水平求解 问题。
第十五页，编辑于星期三：二十三点 五十五分。
控制专家系统
◆任务 ：自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为， 使之满足预期要求。
◆特点 ：控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执 行等多种功能。
(2)从处理问题的方法看，专家系统则是靠知识和推 理来解决问题（不像传统软件系统使用固定的算法来解 决问题），所以，专家系统是基于知识的智能问题求解 系统。
第七页，编辑于星期三：二十三点 五十五分。
(3)从系统的结构来看，专家系统则强调知识与推理 的分离，因而系统具有很好的灵活性和可扩充性。
(4)专家系统一般还具有解释功能，即在运行过程中 一方面能回答用户提出的问题，另一方面还能对最后的 输出（结论）或处理问题的过程作出解释。
◆例子 ：军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专家系 统、汽车和火车运行调度专家系统以及小麦和水稻施 肥专家系统等。
第十四页，编辑于星期三：二十三点 五十五分。
监视专家系统
◆任务 ：对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观 察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情 况，发出警报。
◆特点 ：系统应具有快速反应能力，应在造成事故之前及时 发出报警；发出的警报要有很高的准确性，不能假报警； 能够随时间和条件的变化动态地处理其输入信息。
(5)有些专家系统还具有”自学习”能力，即不断对 自己的知识进行扩充、完善和提炼。这一点是传统系统 所无法比拟的。
(6)专家系统不像人那样容易疲劳、遗忘，易受环境、 情绪等的影响，它可始终如一地以专家级的高水平求解 问题。
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如对于不平衡故障，有下列规则： 规则2=(基频振动 (如果 振动工频分量占通频振幅的比例大于60％ 0.95； 过临界时振幅明显增大，且相位变化大于100° 0.8； 稳速时，相位不随时间、负荷而变化 0.8)； (则为 不平衡故障 0.9))； 规则中右列的数字为置信度。
但这种完全独立的规则集虽然增删、修改容易，但寻找 可用规则时只能顺序进行，效率很低。在实际专家系统中， 由于规则较多，所以总是以某种方式把有关规则连接起来， 如建立某种形式的索引文件。这样既方便查找，又可把规则 存放在磁盘上，避免把所有规则调入内存造成内存不足等问 题。
•简单枚举法是由某类中已观察到的事物都具有某属性，而 没有观察到相反的事例，从而推出某类事物都有某属性。 这种方法只是根据一个一个事例的枚举，没有进行深入的分 析，因此有时可靠性不大，是一种简单的初步归纳推理。9
•类比推理 在两个或两类事物在许多属性上都相同的基础上，
推出它们在其他属性上也相同，这就是类比推理。 用 A 与 B 分 别 代 表 两 个 或 两 类 不 同 的 事 物 ， 用 a1 , a2 , a3 ,L , an , b, 分别代表不同的属性，则类比 法可表示如下：
可能结果 情况1框架
情况2框架
情况3框架
情况1框架
类型 描述
对象 汽轮发电机组
反映 低压转子两侧工频振动大
可能结果 低压转子不平衡或热弯曲
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情况2框架 类型 描述 对象 汽轮发电机组 反映 各项参数正常 可能结果 机组工作正常，继续正常运转 情况3框架 类型 描述 对象 汽轮发电机组 反映 轴振动超限值 可能结果 报警，停机检修
员及其任务。要求领域专家和知识工程师一起交换意见，以 便进行知识库的开发工作。主要希望找出下列问题的解答：
1) 要解决什么问题. 2) 问题中包含的对象、术语及其间的关系. 3) 问题的定义及说明方式. 4) 问题是否可以分成子问题，如何划分. 5) 要求的问题的解的形式. 6) 数据结构类型. 7) 解决问题的关键、本质和困难所在. 8) 相关问题或问题外围环境或背景是什么. 9) 解决问题所需要的各种资源，包括知识库、时间、设备、 经费等。
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对于油膜振荡故障，可以有如下规则： IF (油膜振荡) THEN (规则 287, 288, 289, 290, 291, 292, 293, 294, 395)； 同样，对于决策性知识，也可用类似表示法：
框架理论：框架是一种描述某种形态的数据结构，它由一 组槽所组成。一般，框架有如下形式: 《框架名》 《槽名1》《侧面名11》(值111，值112，... )
三段论 :由三个性质判断组成，其中两个性质判断是前 提，
另一个性质判断是结论 • 所有的推理系统都是智能系统， • 专家系统是推理系统， • 所以，专家系统是智能系统。
6
基于规则的演绎:前提与结论之间有必然性联系的推理 • 正向演绎推理 • 反向演绎推理 • 正反向演绎推理
•正向演绎系统是从一组事实出发，一遍又一遍地尝试 所有可利用的规则，并在此过程中不断加入新事实， 直到获得包含目标公式的结束条件为止。这种推理方 式，由于是由数据到结论，所以也叫数据驱动策略。
1
1 专家系统的基本结构及功能
•专家系统是一类包含知识和推理的智能计算机程序。 这种智能程序与传统的计算机应用程序有本质上的不同。
•在专家系统中，求解问题的知识已不再隐含在程序和数据 结构中，而是单独构成一个知识库。这种分离为问题的求 解带来极大的便利和灵活性。
•知识库：是专家知识、经验与书本知识、常识的存储器。 •知识库的结构形成取决于所采用的知识表示方式，常用的有： 逻辑表示、语义网络表示、规则表示、框架表示和子程序表 示等。
知识的符号逻辑表示法:一阶谓词逻辑表示法
产生式表示法 :也叫规则表示法。是专家系统中用得最多的 一种知识表示。用产生式表示知识，由于诸产生式规则之 间是独立的模块，这对系统的修改、扩充特别有利。著名 的 MYCIN 医学咨询系统即是采用产生式表示法
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•事实的表示：对于孤立的事实，在专家系统中常用(特性 －对象－取值)三元组表示。 (判断，振动基频分量振幅占通频振幅60％以上，基频振 动，0.9) (判断，主蒸汽压力低于规程标准，主蒸汽压力低，1.0) 上述规则分别表示：“振动基频分量振幅占通频振幅60％以 上判断为基频振动”的置信度为90%和“主蒸汽压力低于规 程标准为主蒸汽压力低”的置信度为100%。
专家系统原理
专家系统, 它是一种‘基于知识’(Knowledge-based)人工智 能诊断系统。 实质是应用大量人类专家的知识和推理方法求解复杂的 实际问题的一种人工智能计算机程序。 专家系统能够模拟、再现、保存和复制有时还能超过人 类专家的脑力劳动，是人工智能领域中目前最活跃最成 功的一个分支。
8
归纳推理 ： •人们对客观事物的认识总是由认识个别的事物开始，进而 认识事物的普遍规律。其中归纳推理起了重要的作用。
•归纳推理一般是由个别的事物或现象推出该类事物或现象 的普遍性规律的推理。
•归纳推理：有简单枚举法、类比法、统计推理、因果关 系法等五种(契合法、差异法、契合差异并用 法、共变法与剩余法)
•常见的不精确推理方法有概率论方法、可信度方法、模 糊子集法和证据论方法等。
•模糊推理就是运用模糊集理论，由上述三段论、基于规 则的演绎和归纳推理等推出有实际意义的结论。
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3 知识表示与知识获取
•知识表示是计算机科学中研究的重要领域 •知识表示的基本要求是：可扩充性；简明性；明确性等 •迄今已有许多知识表示方法，如符号逻辑法、产生式规 则、框架理论、语义网络、特征矢量法、过程表示法等
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框架也可以来描述一个概念。下面介绍一个描述轧钢机的框架：
轧钢机框架 类型 用途 (初轧机框架，连轧机框架...)
规格 (650，850，1150，1700，...) 结构 轧辊 (轧辊框架)
牌坊 (机架框架) 主传动系统 (传动系统框架) 电动机 (电动机框架) 而对于其中每一个框架，可以用若干个槽来描述得更仔细，例如 传动系统框架 高速轴 轴 (带飞轮，不带飞轮，…)
A与B有属性 a1 , a2 , a3 ,L , an
A有属性 b,
所以，B 也有属性 b。
类比法的基础是相似原理，其可靠程度决定于两个或 两类事物的相同属性与推出的那个属性之间的相关程 度。相关程度越高，则类比法的可靠性就越大。
10
模糊推理 • 在人类知识中，有相当一类是不精确的和含糊的。由 这些知识归纳出来的推理规则也往往是不确定的。基于这 种不确定的推理规则进行推理，形成结论，称为不精确推 理。
《侧面名12》(值121，值122，... ) ┇ 《槽名2》《侧面名21》(值211，值212，... )
《侧面名22》(值221，值222，... ) ┇ ┇
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框架可用来描述动作与推测，例如，在工况监视与故障诊断 系统中有：
动作框架
类型 监测
动作者 工况监视与故障诊断系统
被监测者 汽轮发电机组
•推理机：控制、协调整个系统并根据当前输入的数据， 利用知识库中的知识，按一定的推理策略去逐步推理直至 解决问题。
•推理策略有：正向推理、反向推理和正反向混合推理三
种（在后详述）
3
• 解释程序
– 可以随时回答用户提出的各种问题，包括与系统推 理有关的问题和与系统推理无关的系统自身的问题。 它可对推理路线和提问的含义给出必要的清晰的解 释。为用户了解推理过程以及维护提供方便的手 段，便于使用和软件调试并增加用户的信任感。
再认识
再分析
再设计
确定知
再改进
识表示
提出
形成
及推理 建立 原型 检验
认识 问题
的 特征
要求
找出 概念 建立 关系
概念
设计 组织 结构
的方法
知识 库及 推理 机制
系统 知识 及
系统 功能
试 运 行
认识阶段 概念化阶段 形成化阶段
实现阶段
测 试 阶 段 验 收 阶 段 23
• 认识阶段 这阶段的工作包括确定问题、确定目标、确定资源和确定人
联轴器 (刚性，弹性，…) 小齿轮 (渐开线，圆孤，…) 轴承 (滚动，滑动，…) 低速轴 轴 (带动一架，带动二架，…) 联轴器 (齿轮联轴器，弹性联轴器) 轴承 (滚动，滑动，…) 大齿轮 (渐开线，圆孤，…)
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•不精确知识的表示 在专家系统的研制过程中存在着大量的不精确的知识，
例如专家说某部位振动“强烈”，某类故障“严重”等等，为什 么说其振动“强烈”？故障“严重”？又严重到什么程度？这些 概念的内涵和外延都是不明确的，很难给出精确定义。
•反向演绎系统是先提出假设(结论)，然后去寻找支持 这个假设的证据，这种由结论到数据，通过人机交互 方式逐步寻找证据的方法称为目标驱动策略。
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•正反向联合演绎系统 正向演绎系统和反向演绎系统都有一定的局限性:
正向系统可以处理任意形式的事实表达式，但被限制 在目标表达式为由文字析取组成的一些表达式。 反向系统可以处理任意形式的目标表达式，但被限制 在事实表达式为由文字的合取组成的一些表达式。 正反向联合演绎把这两个系统联合起来，发挥各自的 优点而克服它们的局限性。
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MFD－2型汽轮发电机组智能诊断系统中，有如下树状关系：
振动峰峰值大
基频振动
低频振动
二倍频振动
广谱振动
问题
初始不平衡 零部件脱落 ......
......
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规则的表示 在产生式表示法中，一条规则可表示为： RULE=(<规则名> (IF<事实1>；若事实1成立且 <事实2>；事实2成立且 ┇ <事实n>)；事实n成立 (THEN<结论1>；则结论1成立且 <结论2>；结论2成立且 <结论m>)；结论m成立
如对于不平衡故障，有下列规则： 规则2=(基频振动 (如果 振动工频分量占通频振幅的比例大于60％ 0.95； 过临界时振幅明显增大，且相位变化大于100° 0.8； 稳速时，相位不随时间、负荷而变化 0.8)； (则为 不平衡故障 0.9))； 规则中右列的数字为置信度。
但这种完全独立的规则集虽然增删、修改容易，但寻找 可用规则时只能顺序进行，效率很低。在实际专家系统中， 由于规则较多，所以总是以某种方式把有关规则连接起来， 如建立某种形式的索引文件。这样既方便查找，又可把规则 存放在磁盘上，避免把所有规则调入内存造成内存不足等问 题。
•简单枚举法是由某类中已观察到的事物都具有某属性，而 没有观察到相反的事例，从而推出某类事物都有某属性。 这种方法只是根据一个一个事例的枚举，没有进行深入的分 析，因此有时可靠性不大，是一种简单的初步归纳推理。9
•类比推理 在两个或两类事物在许多属性上都相同的基础上，
推出它们在其他属性上也相同，这就是类比推理。 用 A 与 B 分 别 代 表 两 个 或 两 类 不 同 的 事 物 ， 用 a1 , a2 , a3 ,L , an , b, 分别代表不同的属性，则类比 法可表示如下：
可能结果 情况1框架
情况2框架
情况3框架
情况1框架
类型 描述
对象 汽轮发电机组
反映 低压转子两侧工频振动大
可能结果 低压转子不平衡或热弯曲
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情况2框架 类型 描述 对象 汽轮发电机组 反映 各项参数正常 可能结果 机组工作正常，继续正常运转 情况3框架 类型 描述 对象 汽轮发电机组 反映 轴振动超限值 可能结果 报警，停机检修
员及其任务。要求领域专家和知识工程师一起交换意见，以 便进行知识库的开发工作。主要希望找出下列问题的解答：
1) 要解决什么问题. 2) 问题中包含的对象、术语及其间的关系. 3) 问题的定义及说明方式. 4) 问题是否可以分成子问题，如何划分. 5) 要求的问题的解的形式. 6) 数据结构类型. 7) 解决问题的关键、本质和困难所在. 8) 相关问题或问题外围环境或背景是什么. 9) 解决问题所需要的各种资源，包括知识库、时间、设备、 经费等。
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对于油膜振荡故障，可以有如下规则： IF (油膜振荡) THEN (规则 287, 288, 289, 290, 291, 292, 293, 294, 395)； 同样，对于决策性知识，也可用类似表示法：
框架理论：框架是一种描述某种形态的数据结构，它由一 组槽所组成。一般，框架有如下形式: 《框架名》 《槽名1》《侧面名11》(值111，值112，... )
三段论 :由三个性质判断组成，其中两个性质判断是前 提，
另一个性质判断是结论 • 所有的推理系统都是智能系统， • 专家系统是推理系统， • 所以，专家系统是智能系统。
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基于规则的演绎:前提与结论之间有必然性联系的推理 • 正向演绎推理 • 反向演绎推理 • 正反向演绎推理
•正向演绎系统是从一组事实出发，一遍又一遍地尝试 所有可利用的规则，并在此过程中不断加入新事实， 直到获得包含目标公式的结束条件为止。这种推理方 式，由于是由数据到结论，所以也叫数据驱动策略。
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1 专家系统的基本结构及功能
•专家系统是一类包含知识和推理的智能计算机程序。 这种智能程序与传统的计算机应用程序有本质上的不同。
•在专家系统中，求解问题的知识已不再隐含在程序和数据 结构中，而是单独构成一个知识库。这种分离为问题的求 解带来极大的便利和灵活性。
•知识库：是专家知识、经验与书本知识、常识的存储器。 •知识库的结构形成取决于所采用的知识表示方式，常用的有： 逻辑表示、语义网络表示、规则表示、框架表示和子程序表 示等。
知识的符号逻辑表示法:一阶谓词逻辑表示法
产生式表示法 :也叫规则表示法。是专家系统中用得最多的 一种知识表示。用产生式表示知识，由于诸产生式规则之 间是独立的模块，这对系统的修改、扩充特别有利。著名 的 MYCIN 医学咨询系统即是采用产生式表示法
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•事实的表示：对于孤立的事实，在专家系统中常用(特性 －对象－取值)三元组表示。 (判断，振动基频分量振幅占通频振幅60％以上，基频振 动，0.9) (判断，主蒸汽压力低于规程标准，主蒸汽压力低，1.0) 上述规则分别表示：“振动基频分量振幅占通频振幅60％以 上判断为基频振动”的置信度为90%和“主蒸汽压力低于规 程标准为主蒸汽压力低”的置信度为100%。
专家系统原理
专家系统, 它是一种‘基于知识’(Knowledge-based)人工智 能诊断系统。 实质是应用大量人类专家的知识和推理方法求解复杂的 实际问题的一种人工智能计算机程序。 专家系统能够模拟、再现、保存和复制有时还能超过人 类专家的脑力劳动，是人工智能领域中目前最活跃最成 功的一个分支。
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归纳推理 ： •人们对客观事物的认识总是由认识个别的事物开始，进而 认识事物的普遍规律。其中归纳推理起了重要的作用。
•归纳推理一般是由个别的事物或现象推出该类事物或现象 的普遍性规律的推理。
•归纳推理：有简单枚举法、类比法、统计推理、因果关 系法等五种(契合法、差异法、契合差异并用 法、共变法与剩余法)
•常见的不精确推理方法有概率论方法、可信度方法、模 糊子集法和证据论方法等。
•模糊推理就是运用模糊集理论，由上述三段论、基于规 则的演绎和归纳推理等推出有实际意义的结论。
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3 知识表示与知识获取
•知识表示是计算机科学中研究的重要领域 •知识表示的基本要求是：可扩充性；简明性；明确性等 •迄今已有许多知识表示方法，如符号逻辑法、产生式规 则、框架理论、语义网络、特征矢量法、过程表示法等
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框架也可以来描述一个概念。下面介绍一个描述轧钢机的框架：
轧钢机框架 类型 用途 (初轧机框架，连轧机框架...)
规格 (650，850，1150，1700，...) 结构 轧辊 (轧辊框架)
牌坊 (机架框架) 主传动系统 (传动系统框架) 电动机 (电动机框架) 而对于其中每一个框架，可以用若干个槽来描述得更仔细，例如 传动系统框架 高速轴 轴 (带飞轮，不带飞轮，…)
A与B有属性 a1 , a2 , a3 ,L , an
A有属性 b,
所以，B 也有属性 b。
类比法的基础是相似原理，其可靠程度决定于两个或 两类事物的相同属性与推出的那个属性之间的相关程 度。相关程度越高，则类比法的可靠性就越大。
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模糊推理 • 在人类知识中，有相当一类是不精确的和含糊的。由 这些知识归纳出来的推理规则也往往是不确定的。基于这 种不确定的推理规则进行推理，形成结论，称为不精确推 理。
《侧面名12》(值121，值122，... ) ┇ 《槽名2》《侧面名21》(值211，值212，... )
《侧面名22》(值221，值222，... ) ┇ ┇
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框架可用来描述动作与推测，例如，在工况监视与故障诊断 系统中有：
动作框架
类型 监测
动作者 工况监视与故障诊断系统
被监测者 汽轮发电机组
•推理机：控制、协调整个系统并根据当前输入的数据， 利用知识库中的知识，按一定的推理策略去逐步推理直至 解决问题。
•推理策略有：正向推理、反向推理和正反向混合推理三
种（在后详述）
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• 解释程序
– 可以随时回答用户提出的各种问题，包括与系统推 理有关的问题和与系统推理无关的系统自身的问题。 它可对推理路线和提问的含义给出必要的清晰的解 释。为用户了解推理过程以及维护提供方便的手 段，便于使用和软件调试并增加用户的信任感。
再认识
再分析
再设计
确定知
再改进
识表示
提出
形成
及推理 建立 原型 检验
认识 问题
的 特征
要求
找出 概念 建立 关系
概念
设计 组织 结构
的方法
知识 库及 推理 机制
系统 知识 及
系统 功能
试 运 行
认识阶段 概念化阶段 形成化阶段
实现阶段
测 试 阶 段 验 收 阶 段 23
• 认识阶段 这阶段的工作包括确定问题、确定目标、确定资源和确定人
联轴器 (刚性，弹性，…) 小齿轮 (渐开线，圆孤，…) 轴承 (滚动，滑动，…) 低速轴 轴 (带动一架，带动二架，…) 联轴器 (齿轮联轴器，弹性联轴器) 轴承 (滚动，滑动，…) 大齿轮 (渐开线，圆孤，…)
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•不精确知识的表示 在专家系统的研制过程中存在着大量的不精确的知识，
例如专家说某部位振动“强烈”，某类故障“严重”等等，为什 么说其振动“强烈”？故障“严重”？又严重到什么程度？这些 概念的内涵和外延都是不明确的，很难给出精确定义。
•反向演绎系统是先提出假设(结论)，然后去寻找支持 这个假设的证据，这种由结论到数据，通过人机交互 方式逐步寻找证据的方法称为目标驱动策略。
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•正反向联合演绎系统 正向演绎系统和反向演绎系统都有一定的局限性:
正向系统可以处理任意形式的事实表达式，但被限制 在目标表达式为由文字析取组成的一些表达式。 反向系统可以处理任意形式的目标表达式，但被限制 在事实表达式为由文字的合取组成的一些表达式。 正反向联合演绎把这两个系统联合起来，发挥各自的 优点而克服它们的局限性。
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MFD－2型汽轮发电机组智能诊断系统中，有如下树状关系：
振动峰峰值大
基频振动
低频振动
二倍频振动
广谱振动
问题
初始不平衡 零部件脱落 ......
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规则的表示 在产生式表示法中，一条规则可表示为： RULE=(<规则名> (IF<事实1>；若事实1成立且 <事实2>；事实2成立且 ┇ <事实n>)；事实n成立 (THEN<结论1>；则结论1成立且 <结论2>；结论2成立且 <结论m>)；结论m成立