人工智能—专家系统概述

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作者：秦老司

专家系统属于人工智能的一个发展分支，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。

专家系统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。

专家系统的主要特性

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

一般采用启发式的解题方法

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

需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性

能对自身的工作过程进行推理（自推理或解释）

采用基于知识的问题求解方法

知识库与推理机分离

专家系统在当前以及未来，都将会是人类值得信赖的高水平智能助手，是将人工智能技术运用到实际中的重要手段。

专家系统的基本结构

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。

解释器能够向用户解释专家系统的行为方法，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其他候选结果的原因等。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。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，以得到问题的求解结果，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，也可以实现自动实现学习功能。

专家系统的类型

解释专家系统

解释专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的含义。

专家系统具有以下特点：

系统处理的数据量大，而且往往是不准确的、有错误的或不完全的

系统能够从不完全的信息中得到解释，并能对数据做出某些假设

系统推理过程复杂，要求系统具有对自身的推理过程做出解释的能力。

解释专家系统的例子有语音理解、图像分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。

2. 预测专家系统

预测专家系统的任务是通过对过去和现在的已知状况的分析，推断未来可能发生的情况。预测专家系统具有以下特点：

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

系统需要有适应时间变化的动态模型，能够从不完全的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、人口预测等。

3. 诊断专家系统

诊断专家系统的任务是根据观察到的数据来推测出某个对象出现故障的原因。诊断专家系统具有以下特点：

能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系

能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象

能够向用户提供测量的数据，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有医疗诊断、电子机械和软件故障诊断、材料失效诊断等。

4. 设计专家系统

设计专家系统的任务是分解设计要求，求出能够满足设计问题约束的目标配置。设计专家系统具有如下特点：

善于从多方面的要求中得到符合要求的设计结果

系统需要检索较大的可能解空间

善于分析各种子问题，并处理好各个子问题间的互相作用

能够试验性地构造出可能的设计方案，并易于对所得设计方案进行修改

能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的设计

设计专家系统可用于电路设计、土木建工设计、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

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多做序列或寻找步骤。规划专家系统的特点如下：

所要规划的目标可能是动态的或静态的，因而需要对未来动作做出预测

所涉及的问题可能是复杂的，要求系统能抓住重点，处理好各子目标的关系和不确定数据信息，并通过试验性动作做出可行规划

规划专家系统可用于机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物管理等。

6. 监视专家系统

监视专家系统的任务在于对系统、对象或过程进行不断观察，并把观察到的行为与其应当有的行为进行比较，以发现异常情况并作出警报。监视专家系统具有下列特点：

具有快速反应能力，在造成事故之前及时发出警报

系统发出的警报需要有较高的准确性

系统能够随时间和条件的变化而动态地处理输入信息

监视专家系统可用于安全监视、防空监视与警报、国家财政监控、疫情监控和农作物病虫害监控等。

7. 控制专家系统

控制专家系统的任务是以自适应方式管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。

控制专家系统能够解释当前的情况，预测未来可能发生的情况，诊断可能发生的问题并分析原因，不断修正计划并控制计划执行。控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。

8. 调试专家系统

调试专家系统的任务是对矢量的对象给出处理意见和方法。调试专家系统的特点是同时具有规划、设计、预报、诊断等专家系统的功能。调试专家系统可以用于新产品和新系统的调试，亦可以用于设备检修。