第6章 专家系统 专家系统(expert system)是人工智能应用研究的主要领域。正如专家系统的先驱费根鲍姆(Feigenbaum)所说： 专家系统的力量是从它处理的知识中产生的，而不是从某种形式主义及其使用的参考模式中产生的。这正符合一 句名言：知识就是力量。自从1965年第一个专家系统 DENDRAL在美国斯坦福大学问世以来，经过20年的研 究开发，到80年代中期，各种专家系统已遍布各个专业领域，取得很大的成功。 专家系统实质上为一计算机程序，它能够以人类专家的水平完成特别困难的某一专业领域的任务。在设计专 家系统时，知识工程师的任务就是使计算机尽可能模拟人类专家解决某些实际问题的决策和工作过程，即模仿人 类专家如何运用他们的知识和经验来解决所面临问题的方法、技巧和步骤。 6.1 概述 6.1.1 专家系统的定义 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，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。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计 算机程序系统。 专家系统特点如下： 1. 启发性：专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。 2. 透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程， 提高对专家系统的信赖感。 3. 灵活性：专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。 6.1.2 专家系统的基本组成 专家系统由知识库、推理机、综合数据库、解释接口和知识获取等五部分组成。 知识库(Knowlege Base)储存专家用以解决问题的知识。 推理机(Inference Mechanism)用以控制推理过程。 综合数据库(Global Database)存放推理的初始证据、中间结果以及最终结果等的工作存储器(Working Memory)。 解释接口(Explanation Interface)提供使用者友善的解释说明及咨询功能。 知识获取(Knowlege Acquisition)通过人工方法或机器学习的方法，将某个领域内的事实性知识和领 域专家所特有的经验性知识转化为计算机程序的过程。 6.1.3 专家控制的特征和分类 1. 专家系统的基本特征 专家系统是基于知识工程的系统，有如下一些基本特征： 1) 具有专家水平的专门知识； 2) 能进行有效的推理； 3) 专家系统的透明性和灵活性； 4) 具有一定的复杂性和难度。 2. 专家系统的类型 专家系统的类型很多，包括演绎型、经验型、工程型、工具型和咨询型等。按照专家系统所求解问题的性质， 可分为以下几种类型： 1). 诊断专家系统 2). 解释专家系统 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 3). 预测专家系统 4). 设计专家系统 5). 决策专家系统 6). 规划专家系统 7). 控制专家系统 8). 教学专家系统 9). 监视专家系统 10) 修理专家系统 6.2 专家控制系统的工作原理 6.2.1 专家控制系统的结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的 适用性和有效性密切相关的。选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定。 6.2.2 专家控制系统的工作原理 专家系统的工作过程是根据知识库中的知识和用户提供的事实推理，不断地由已知的前提推出未知的 结论，并把这些未知的结论纳入工作存储空间，作为已知的新事实继续推理，从而把求解的问题由未知状 态转换为已知状态。可见，专家系统的工作过程是专家工作过程的一种机器模拟。 一般应用程序与专家系统的区别： 前者把问题求解的知识隐含地编入程序，而后者则把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知 识库。知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的。更明确地说，一般应用程序把知识组织为两级：数 据级和程序级；大多数专家系统则将知识组织成三级；数据、知识库和控制。 6.3专家系统的设计 6.3.1专家知识的描述 1、结论的表示：结论规定了所涉及专门知识的范围。 2、观测的表示：观测是得到结论所需要的观察或量测结果。它们通常可以用逻辑值：真(T)，假(F)或 “不知道”，或用数字来表示。 3、推理规则的表示：产生式规则是决策规则最为常用的表示形式。 6.3.2知识的使用和决策解释 建立专家系统还不是一门精确的科学。专家经常提供大量的信息，必须力图抽取专家推理过程中的关 键内容，并且尽可能准确而简洁地表示这些知识。 6.3.3 建立专家系统的步骤 专家系统是对用符号来描述的知识进行处理，需要利用知识库、推理机和数据库来实现，因此不同于 传统的编程设计；建立专家系统有其自己特有的设计步骤，一般可分为下面几个阶段： 1. 认识与概念化阶段 对待求问题分析、研究和概括，确定解决这些问题的途径，包含以下几个方面： 1). 问题的分析和概括； PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 2). 系统求解范围的确定； 3). 推理方式和知识表示的确定； 2. 实现阶段 专家系统由知识库、推理机、综合数据库、解释接口和知识获取等五部分组成。专家系统实现阶段就是构造 以上内容组成的专家系统外壳。 专家系统外壳有两种实现方法： 1). 利用专家系统工具，可以很容易建立专家系统； 2). 用人工智能语言建立专家系统外壳。 3. 获取知识、构造外部知识库 知识获取是指知识工程师从知识源提取（总结、归纳）知识的过程。知识源一般包括人类专家、书本、 数据库。所获取的知识经过进一步的形式化和条理化，通过编辑器输入计算机，就可以构成外部形式知识 库。 4. 调试和检验阶段 这一阶段包括以下内容： 1). 知识库的完善和扩展； 2). 专家系统外壳的完善。 通过实例进行调试和检验是最有效的方法。 6.3.4专家控制系统 专家系统的技术特点为解决传统控制理论的局限性提供了重要的启示。将专家系统的理论和技术同控 制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。 根据专家系统技术在控制系统中应用的复杂程度，可以分为专家控制系统和专家式控制器两种主要形 式。专家控制系统具有全面的专家系统结构、完善的知识处理功能和实时控制的可靠性能。这种系统采用 黑板等结构，知识库庞大，推理机复杂。它包括有知识获取子系统和学习子系统，人-机接口要求较高。专 家式控制器，多为工业专家控制器，是专家控制系统的简化形式，针对具体的控制对象或过程，着重于启 发式控制知识的开发，具有实时算法和逻辑功能。设计较小的知识库、简单的推理机制，可以省去复杂的 人-机接口。由于其结构较为简单，又能满足工业过程的要求，因而应用日益广泛。 专家控制虽然引用了专家系统的思想和方法，但它与一般的专家系统还有重要的差别： 1). 通常的专家系统只完成专门领域问题的咨询功能，它的推理结果一般用于辅助用户的决策；而专家 控制则要求能对控制动作进行独立的、自动的决策，它的功能一定要具有连续的可靠性和较强的抗扰性。 2). 通常的专家系统一般处于离线工作方式，而专家控制则要求在线地获取动态反馈信息，因而是一种动态 系统，它应具有使用的灵活性和实时性，即能联机完成控制。 1. 专家控制系统的工作原理 专家控制系统有知识基系统、数值算法库和人-机接口三个并发运行的子过程。三个运行子过程之间的 通信是通过五个信箱进行的，这五个信箱即出口信箱（Out box）、入口信箱（In box）、应答信箱（Answer box）、 解释信箱（Result box）和定时器信箱（Timer box）。 系统的控制器由位于下层的数值算法库和位于上层的知识基子系统两大部分组成。数值算法库包含的 是定量的解析知识，进行数值计算，快速、精确，有控制、辨识和监控三类算法组成，按常规编程直接作 用于受控过程，拥有最高的优先权。 控制算法根据来自知识基系统的配置命令和测量信号计算控制信号，例如 PID 算法、极点配置算法、 最小方差算法、离散滤波器算法等，每次运行一种控制算法。 辨识算法和监控算法在某种意义上是从数值信号流中抽取特征信息，可以看作是滤波器或特征抽取器， 仅当系统运行状况发生某种变化时，才往知识基系统中发送信息。在稳定运行期间，知识基系统是闲置的， 整个系统按传统控制方式运行。 知识基系统位于系统上层，对数值算法进行决策、协调和组织，包含有定性的启发式知识，进行符号 推理，按专家系统的设计规范编码，通过数值算法库与受控过程间接相连，连接的信箱中读或写信息的队 列。内部过程的通信功能如下： PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 1). 出口信箱：将控制配置命令、控制算法的参数变更值以及信息发送请求从知识基系统送往数值算 法部分。 2). 入口信箱：将算法执行结果、检测预报信号、对于信息发送请求的答案、用户命令以及定时中断 信号分别从数值算法库、人-机接口及定时操作部分送往知识基系统。 3). 应答信箱：传送数值算法对知识基系统的信息发送请求的通信应答信号。 4). 解释信箱：传送知识基系统发出的人-机通信结果，包括用户对知识库的编辑、查询、算法执行原 因、推理结果、推理过程跟踪等系统运行情况的解释。 5). 定时器信箱：用于发送知识基子系统内部推理过程需要的定时等待信号，供定时操作部分处理。 人-机接口子过程传播两类命令：一类是面向数值算法库的命令，如改变参数或改变操作方式；另一类 是指挥知识基系统去做什么的命令，如跟踪、添加、清除或在线编辑规则等。 2. 专家控制器 专家系统作为控制器称为专家控制器。 专家控制器通常由知识库（KB）、控制规则集（CRS）、推理机（IE）和特征识别与信息处理（FR&IP）四 部分组成。 知识库用于存放工业过程控制的领域知识，由经验数据库和学习与适应装置组成。建立知识库的主要 问题是如何表达以获得的知识。专家控制器的知识库用产生式规则来建立。 控制规则集是对被控对象的各种控制模式和经验的归纳和总结。由于规则条数不多，搜索空间很小， 推理机构就十分简单，采用正向推理方法逐次判别各种规则条件，满足则执行，否则继续搜索。 特征识别与信息处理模块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。 专家控制器对于被控过程施行实时控制，必须在规定的时间内给出控制信号，因此对专家系统的运算 （推理）速度的要求是很高的。为了把专家系统技术用于专家控制器，至少在专家系统设计上必须遵循以 下两条原则： 1). 提高专家系统运行速度的原则 在专家控制器中，推理的速度基本上决定了系统允许的最小采样周期。专家系统运行速度越快，则最 小采样周期可以越短，专家系统适用的控制范围越广。按照这一设计原则，在设计专家控制器时可以从下 面几个方面采取措施： A. 计算机硬件的运行速度； B. 工具软件； C. 知识库设计； D. 推理机设计。 2). 确保在每个采用周期内都能提供控制信号的原则 专家系统从推理开始至得到最终的结论的推理步数是不固定的，并且完成每一步推理所花的时间也不 一样，这样从不同状态开始求解过程所用的总时间差异很大。在过程控制系统中，采样周期一般是常数， 专家控制器推理开始时的状态由过程控制系统的实际信息确定，通常每次是不一样的，因此，从推理开始 至得到结论的时间是不同的。于是，作为实时控制的专家控制器有可能在某些采用周期无正常控制信号输 出。为了取得好的控制效果，必须确保在每个采样周期提供有效的控制信号。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn