第七章专家系统7.1.答:(1 )专家系统的定义❺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 和推理步骤来解决只有专家才能解决的复杂问题 ”帑专家系统是基于知识的系统,用于在某种特定的领域中运用领域专家多年积累的经 验和专门知识,求解需要专家才能解决的困难问题保存和大面积推广各种专家的宝贵知识盘博采众长比人类专家更可靠,更灵活⏺(2 )专家系统的特点1具有专家水平的专门知识专家系统中的知识按其在问题求解中的作用可分为三个层次: 数据级、知识库级和控制级数据级知识(动态数据):具体问题所提供的初始事实及在问题求解过程中 所产生的中间结论、最终结论数据级知识通常存放于数据库中知识库级知识:专家的知识,这一类知识是构成专家系统的基础一个系统性能高低取决于这种知识质量和数量控制级知识(元知识):关于如何运用前两种知识的知识 在问题求解中的搜索策略、推理方法2能进行有效的推理推理机构一一能根据用户提供的已知事实, 通过运用知识库中的知识, 进行有效的 推理,以实现问题的求解。专家系统的核心是知识库和推理机3具有启发性除能利用大量专业知识外,还必须利用经验判断知识来对求解问题作出多个假设 (依据某些条件选定一个假设,使推理继续进行)4能根据不确定(不精确)的知识进行推理综合利用模糊的信息和知识进行推理,得出结论5具有灵活性知识库与推理机相互独立,使系统易于扩充,具有较大的灵活性6具有透明性盟 一般有解释机构,所以具有较好的透明性S 解释机构向用户解释推理过程,回答 Why? ”、 How ? ”等问题7具有交互性帑一般都为交互式系统,具有较好的人机界面希一方面它需要与领域专家或知识工程师进行对话以获取知识;另一方面它也需要不 断地从用户处获得所需的已知事实并回答询问。7.2.答:专家系统的一般结构人机接口、推理机、知识库、动态数据库、知识获取机构、解释机构⏺⏺知识库:主要用来存放领域专家提供的专门知识(1)知识表达方法的选择(最多的三种表示方法是产生式规则、框架和语义网络)1充分表示领域知识2能充分、有效地进行推理3便于对知识的组织、维护与管理4便于理解与实现(2)知识库管理冗余和矛盾一致性和完整性安全性 推理机« 模拟领域专家的思维过程,控制并执行对问题的求解帑 能根据当前已知的事实,禾U用知识库中的知识,按一定的推理方法和控制策略进行 推理,直到得出相应的结论为止令推理机包括推理方法和控制策略两部分帑推理方法有精确推理和不精确推理 (已在推理章节介绍)«控制策略主要指推理方向控制及推理规则选择策略帑推理有正向推理、反向推理和正反向混合推理希推理策略一般还与搜索策略有关 (已在推理章节介绍)希 推理机性能/构造与知识的表示方法有关, 但与知识的内容无关 保证推理机与知识库的独立性,提高灵活性知识获取机构总 瓶颈”是建造和设计专家系统的关键帑基本任务是为专家系统获取知识,建立起健全、完善、有效的知识库,以满足求解领域问题的需要令要对知识进行一致性、完整性检测人机接口帑专家系统与领域专家、知识工程师、一般用户间进行交互的界面,由一组程序及相 应的硬件组成,用于完成输入输出工作令更新、完善、扩充知识库;推理过程中人机交互;结束时显示结果 内部表示形式与外部表示形式的转换数据库« 又称 黑板” 综合数据库”或 动态数据库”主要用于存放用户提供的初始事实、 问题描述及系统运行过程中得到的中间结果、最终结果等信息帑数据库是推理机不可缺少的工作场地,同时由于它可记录推理过程中的各种有关信 息,又为解释机构提供了回答用户咨询的依据 (需相应的数据库管理程序)解释机构:回答用户提出的问题,解释系统的推理过程,使系统对用户透明7.3 答:(1)传统程序是依据某一确定的算法和数据结构来求解某一确定的问题, 而专家系统是依据知识和推理来求解问题,这是专家系统与传统程序的最大区别。传统程序=数据结构+算法专家系统=知识+推理(2)传统程序把关于问题求解的知识隐含于程序中, 而专家系统则将知识与运用知识的过程即推理机分离。(使专家系统具有更大的灵活性,使系统易于修改)(3)从处理对象来看,传统程序主要是面向数值计算和数据处理,而专家系统则面向符号处理。传统程序处理的数据多是精确的, 对数据的检索是基于模式的布尔匹配, 而专家系统处理的数据和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。(4)传统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。(5)传统程序因为是根据算法来求解问题,所以每次都能产生正确的答案,而专家系统则像人类专家那样工作, 通常产生正确的答案, 但有时也会产生错误的答案 (这也是专家系统存在的问题之一)。专家系统有能力从错误中吸取教训,改进对某一工作的问题求解能力。(6)从系统的体系结构来看,传统程序与专家系统具有不同的结构。7.4答:可行性分析:威特曼( Watermam)从三方面研究如何选择适合专家系统开发的问题(1)什么情况下开发专家系统是可能的 ? (满足!)1问题的求解主要依靠经验性知识,而不需要大量运用常识性知识2存在真正的领域专家,这也是开发专家系统最重要的要求之一专家必须能够描述和解释他们用于解决领域问题的方法3一般某领域中有多个专家,他们应该对领域答案的选择和精确度有基本一致的看法4任务易,有明确的开发目标,且任务能被很好地理解(2)什么情况下开发专家系统是合理的?(之一 )1问题的求解能带来较高的经济效益2人类专家奇缺,但又十分需要,且十分昂贵3人类专家经验不断丢失4危险场合需要专门知识(3)什么情况下开发专家系统是合适的?(特征 )1本质一一问题本质上必须能很自然地通过符号操作和符号结构来进行求解,且问题 求解时需要使用启发式知识,需要使用经验规则才能得到答案2复杂性一一问题不是太容易且较为重要3范围一一问题需要有适当的范围。选择适当的范围是专家系统的关键,一般有两个 原则:一是所选任务的大小可驾驭;二是任务要有实用价值。7.5 答:⑹知识库与推理机分离 体现特征,灵活专家系统的开发步骤知识工程比软件工程更强调渐进性、扩充性重新描述(1)问题识别阶段一一知识工程师和专家确定问题的重要特点, 抓住问题各主要方面的特征1确定人员和任务2问题识别:描述问题的特征及相应的知识结构,明确问题的类型和范围3确定资源:确定知识源、时间、计算设备以及经费等资源4确定目标:确定问题求解的目标(2)概念化阶段――主要任务是揭示描述问题所需的关键概念、关系和控制机制,子任务、 策略和有关问题求解的约束1什么类型的数据有用,数据之间的关系如何?2问题求解时包括哪些过程,这些过程中有哪些约束?3问题是如何划分成子问题的?4信息流是什么?哪些信息是由用户提供的,哪些信息是应当导出的?5问题求解的策略是什么?(3)形式化阶段――把概念化阶段概括出来的关键概念、子问题和信息流特征形式化地表示 出来(究竟采用什么形式,要根据问题的性质选择适当的专家系统构造工具或适当的系 统框架)帑 三个主要的因素是:假设空间 基本的过程模型 数据形式化阶段假设空间1把概念描述成结构化的对象,还是处理成基本的实体?2概念之间的因果关系或时空关系是否重要,是否应当显式地表示出来?3假设空间是否有限?4假设空间是由预先确定的类型组成的,还是由某种过程生成的?5是否应考虑假设的层次性?6是否有与最终假设和中间假设相关的不确定性或其它的判定性因素?7是否考虑不同的抽象级别?形式化阶段基本的过程模型帑找到可以用于产生解答的基本过程模型是形式化知识的重要一步帑 过程模型包括行为的和数学的模型(如果专家使用一个简单的行为模型,对它进行分析,就能产生很多重要的概念和关系)(数学模型可以提供附加的问题求解信息,或用于检查知识库中因果关系的一致 性)形式化阶段数据的性质1数据是不足的、充足的还是冗余的?2数据是否有不确定性?3对数据的解释是否依赖于出现的次序?4获取数据的代价是多少?5数据是如何得到的?6数据的可靠性和精确性如何?7数据是一致的和完整的吗?⑷实现阶段« 把形式化知识变成计算机的软体,即要实现知识库、推理机、人机接口和解释系统条件③:李与陈不构成夫妻;吴与徐、周均不构成夫妻,则吴选择的余地为李;推得:吴与李是夫妻条件①:王与周不构成夫妻,则王选择的余地为徐;推得:王与徐是夫妻 排除上述已经成立的条件,显然可推得:孙与周是夫妻。 b2.5解答:符号微积分基本公式为 f(x) F(b) F(a) F(x)|aa2.6解答:题中描述的情况用谓词形式可表达如下:DOG(X) X 是狗SOUND(X) X会吠叫BIT(X,Y) X 咬 Y