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⼈⼯智能习题答案-第6章-专家系统第六章专家系统6-1 什么叫做专家系统?它具有哪些特点与优点?专家系统是⼀种模拟⼈类专家解决领域问题的智能计算机程序系统，其内部含有⼤量的某个领域专家⽔平的知识与经验，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问题。
也就是说，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处理的复杂问题。
特点：(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。
优点：(1) 专家系统能够⾼效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进⾏⼯作。
(2) 专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。
(3) 可以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。
(4) 专家系统能促进各领域的发展，它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。
(5) 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，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的⼯作能⼒。
(6) 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。
(7) 专家系统的研制和应⽤，具有巨⼤的经济效益和社会效益。
(8) 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的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。
6-2 专家系统由哪些部分构成?各部分的作⽤为何?(1) 知识库(knowledge base)知识库⽤于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可⾏操作与规则等。
ＣＡＰＰ系统开发工具的设计方法1 引言ＣＡＰＰ系统的研究已有３０余年的历史，取得了一些成就，但在工厂中能够真正发挥作用的系统还比较少．研制周期长、适应性差、开放性差、低水平重复是ＣＡＰＰ研究面临的主要困难．这与ＣＡＰＰ在ＣＩＭＳ及机械制造企业实现自动化中的重要作用是不相称的．研制ＣＡＰＰ专家系统开发工具是解决上述问题的有效途径．其思想基础是，很多系统看似多种多样，实质却是大同（具有很多共性）与小异（一定的个性）并存．我们可以抽取ＣＡＰＰ系统的实现机制，提取其共性，为不同企业、不同产品的ＣＡＰＰ系统开发提供一个设计环境．ＣＡＰＰ系统开发工具是专家系统开发工具在工艺过程设计领域中的应用和推广．虽然人工智能领域中专家系统开发工具的研究成果启发了这方面的思路，但由于工艺设计领域的特殊性，ＣＡＰＰ系统开发工具的理想实现模式和合理设计方法仍是目前ＣＡＰＰ研究中亟待解决的问题．2 “工艺功能配置型”CAPP系统开发工具一般认为，专家系统开发工具有３种实现方法：外壳型、通用知识语言型和模块组合型．将这３种实现方法应用于ＣＡＰＰ领域，则可以构造３种类型的实现模式：（１）外壳型工具系统：用户按规定格式输入工艺知识和数据，即可构成面向特定加工对象、制造环境和工艺习惯的ＣＡＰＰ系统．在外壳型系统中，知识表达方式、工艺推理过程和策略都已基本固定，因而也具有很强的针对性和局限性，实际上没有脱离传统的ＣＡＰＰ系统模式．（２）模块组合式工具系统：提供工艺过程设计的通用功能组件，开发者根据自己的需要进行有效、方便的组合，以实现领域ＣＡＰＰ系统．这种开发工具的设计难度和开发规模较大．（３）语言型工具系统：设计者根据自己的需要，利用开发工具设计具体的推理过程和知识表示模式．相当于更专门、更高级的程序设计语言．优点是开发者具有较大的自由度，缺点是开发工作量和难度较大，要求系统开发者既是经验丰富的工艺师，又是训练有素的软件工程师．机械零件工艺过程设计问题域复杂，单一的实现模式难以满足实际需要．具体ＣＡＰＰ系统的实现，与零件类型、制造环境和工艺习惯３个主要因素有关，当一个因素变更时，就可能需要重新设计ＣＡＰＰ系统的推理框架和知识表示方式．例如，应用领域较窄时，一般只是零件类型发生变化，从使用的简单方便考虑，外壳型工具构造模式无疑是最适合的．但当应用领域较宽，制造环境和工艺人员习惯有较大变动时，则要求开发者重新设计推理机或重组功能模块，此时工具系统就必须具有语言型或模块组合型的功能特性．所以，本文认为，成功的ＣＡＰＰ专家系统开发工具应是上述３种构造模式的优点组合．首先，ＣＡＰＰ系统开发工具应具有基本的推理机、控制策略和知识表示框架，以此３部分构成所谓通用外壳（ｓｈｅｌｌ）．在通用外壳的功能支持下，通过知识库构造工具中的知识发生器获取动态工艺知识，以支持开发领域ＣＡＰＰ系统．其次，工具系统提供足够多的推理机功能构件，以通用外壳为基础，将功能构件进行配置和组装，以达到通用外壳不能满足的设计要求．最后，工具系统提供设计推理机功能构件的简易可行方法，以满足某些特殊需要．本文将ＣＡＰＰ专家系统开发工具的这种构造方式，称为“工艺功能配置型”ＣＡＰＰ系统开发工具，如图１所示．图１“工艺功能配置型”ＣＡＰＰ系统开发工具3 外壳功能的实现所谓外壳功能，是指工具系统在基本的推理策略、控制结构和知识表示框架（通用外壳）的支持下，单纯通过改变工艺决策知识和工艺决策数据，不变动推理机，以设计领域ＣＡＰＰ系统．外壳型方法是借助工具系统设计领域ＣＡＰＰ的最简单、最理想的方法．主要从下述２个方面来实现：（１）规范统一的工艺知识表达方式、直观方便的知识获取管理功能．以知识单元的统一形式表达工艺知识，并作为属性封装于相应的对象类中．知识单元内部，工艺知识有４种表现形式：产生式规则、框架、规则框架体系、元知识．工艺决策知识用产生式规则或规则框架体系表达，工艺决策数据用框架结构表达．元知识有２类：一类是关于如何选择和运用工艺知识的元知识，以及关于如何选择工艺决策过程的元知识，其表现形式是产生式规则；另一类是关于工艺知识内容和结构特征的元知识，如工艺知识的产生背景、格式说明、应用范围等，它附属于其它类型的工艺知识单元，是一种文字说明，不参加推理匹配．我们提出一种分类层次模型，以存储和管理工艺知识．工艺设计过程可以分解为几类子任务，如加工方法选择、工艺路线排序等．每一类子任务所用到的知识，既与其它部分的知识有一定程度的关联，又表现出很大的独立性．各子任务所用到的工艺知识在内容和表现形式上也有较大的不同．所谓分类，是指将工艺知识按子任务分类；所谓分层，是指将每一类子任务的工艺知识按特征类、零件类别或加工方法和设备的不同分为许多细类，构成一种层次结构模型．分类层次组织模型的底部，即具体的知识记录单元，其形式和内容是标准一致的．对于每一类知识都设置了基本固定的句法结构和表达内容，以实现知识表达形式的规范化要求．以分类层次模型为基础，设立了独立的工艺知识库管理系统．（２）柔性化的工艺路线决策过程、独立的工艺路线决策知识．工艺路线决策（包括定位面决策、装夹方案设计和工序的排序）是机械零件工艺过程设计的主要方面．现有的ＣＡＰＰ系统中，工艺路线决策过程依赖于零件类型、加工环境以及工艺习惯，难以设计成独立的推理机，决策知识也难以离开推理机独立提取．ＣＡＰＰ系统开发工具的提出，在很大程度上也正是因为这个棘手问题的存在，所以，抽取独立的工艺路线决策知识、设置柔性的工艺路线决策推理机是本文实现工具系统外壳型功能的重点．以下是工具系统中工艺路线决策的指导思想：（ａ）决策逻辑在强调针对性（某类零件）的基础上，又具有一定的普遍性（可适合该类中的所有零件）．既能提供各类零件普遍适用的决策推理机制，又能针对各零件类的实际情况（如箱体、支座类），构造具有个性的决策推理机的功能构件．（ｂ）工艺路线决策知识以零件类为基础，从工艺过程的全局进行表达和抽取，而不是分级分阶段地进行提取．工艺知识的结构形式应尽可能标准化，至少在同一大类零件里的表现形式是一致的，以便于建立基于知识的通用决策模块．为此，我们设计了２种工艺路线决策推理策略：考虑工艺约束的基因遗传算法——将工艺路线决策知识表达为统一的适用度函数，适用于无成熟工艺参考、工序多、差异大的零件种类；工艺主干约束匹配法——以先验的工艺路线为基础，抽取其主干作为工艺决策知识，适用于零件类型单一、工艺成熟的情况．4 模块组合功能的实现机械零件工艺过程设计是一个复杂的过程，其推理策略、工艺知识的种类和形式会随零件类别和加工环境以及工艺经验的不同而产生很大的差异．工具系统单纯依靠工艺知识的变更来完成特定ＣＡＰＰ系统的设计（即外壳型功能），在有些情况下较难实现．因为，特定于具体零件和具体生产环境的推理决策是很难单纯以工艺知识的改变来实现的，必须对推理过程作适当的改动．模块组合功能是指工具系统提供足够多的功能预构件，用户按规定方式组装功能构件以实现领域ＣＡＰＰ系统．本文从下述２个方面实现工具系统的模块组合功能．（１）建立功能构件库机械零件工艺过程设计可以分解为２类子任务：一类对于不同的零件类、不同的制造环境，其实现方法和决策过程是相同的，这类子任务包括加工方法选择、机床工装选取、刀具选择、切削参数决策；另一类子任务对于不同类的零件而言，虽然其完成的功能相同，但其决策过程却有很大差别，难以构造统一的决策模块．这类子任务有定位面选择、夹紧方案设计、工序排序、工序尺寸计算、工序图绘制等．对于前一类子任务，本文提供了共同的功能模块．对于后一类子任务，考虑到实际情况，以零件大类和制造环境为基础，提供了大量的功能构件．所谓功能构件，也就是功能相同、实现过程不同的操作．在结构化程序设计中，功能构件的表现形式是能完成特定任务的函数或子程序，一定数量的功能构件组成功能构件库（函数库）．对于人工智能程序设计，由于程序（推理机）要经常地和外部文件（知识库、原始数据）发生联系，单独的程序难以构成完整的功能构件．本文用面向对象方法进行系统分析和系统设计，以对象类为中心来组织系统．每一对象类中不仅封装了方法，还封装了完成该方法所需的有关数据和知识．工艺过程设计的各个子任务封装于相应的对象类中，例如加工方法决策封装于零件特征类中，工艺路线决策封装于零件类别类中．各个子任务的不同实现过程可以通过调用不同的对象或者通过对象类中的不同方法来实现．因此，ＣＡＰＰ系统开发工具的功能构件有２种表现形式：一是对象类，一是同一对象类中的不同方法．以对象类形式表现的功能构件主要适用于具有分类层次结构的对象类，这种分类层次结构体现超类燉子类关系，子类通过对父类函数的重载来完成名称相同、实现过程不同的功能．零件特征类和零件类别类具有明确的分类层次结构，可以预设计多个功能构件．例如工艺路线决策，对于箱体类零件和壳体类零件而言，其决策过程是不同的，因此可以定义２种零件对象类，分别对应于箱体类零件和壳体类零件．零件类中封装了工艺路线决策的不同实现方法，可以作为工具系统的功能预构件．机床主轴箱体零件可以看作箱体类零件的子类，其工艺路线决策当然可以继承其父类的方法，但为使决策过程更准确合理，可以在其中重新定义（重载）工艺路线决策函数，函数名可以相同．以对象类中的不同方法表现的功能构件适用于２种情况：一是工艺路线决策，当零件类别相同、制造环境不同时，其实现方法和过程也有所不同．例如用镗铣类加工中心加工箱体零件和用普通机床设备群加工箱体零件，工艺路线有很大差异，其决策过程封装在同一零件类别类中．另外一种情况是，不存在分类层次结构关系的对象类（例如工艺规程类）中封装的子任务（如工序尺寸计算），可以在同一对象类中通过定义不同的方法来实现．（２）建立框架控制文件工具系统功能构件的组装需要一个总控程序来实现．结构化程序设计中的总控程序就是主程序．主程序的修改是异常困难的，要涉及程序内部细节，要求用户对内部程序结构有相当程度的了解．本文采用框架控制文件完成功能构件的组装．工艺设计可以按子任务依序执行．实现一个子任务的路径有多种，可以通过选取不同实现过程的功能构件来实现．究竟选用哪些功能构件需根据环境条件而定．框架控制文件实际上是一种“元知识”，即关于如何选取功能构件的知识．框架由子任务槽（ｓｌｏｔ）组成，每个子任务槽又有４个侧面（ｆａｃｅｔ），其数据结构如下：（ＳｕｂｔａｓｋＳｌｏｔ：〈子任务说明〉〈零件类〉（Ｆａｃｅｔ１〈指针〉：Ｖ１１（上层子任务）Ｖ１２（下层子任务集合）（Ｆａｃｅｔ２〈知识单元〉：Ｖ２１（知识文件名）Ｖ２２（规则集）Ｖ２３（框架集）Ｖ２４（规则框架集）Ｖ２５（元知识集））（Ｆａｃｅｔ３〈决策动态信息〉）（Ｆａｃｅｔ４〈功能构件〉：Ｖ４１（对象类）Ｖ４２（类中的方法）））Ｆａｃｅｔ１是子任务在工艺设计过程中执行次序的描述信息，有２个值．Ｆａｃｅｔ２是子任务决策所需工艺知识的描述信息，包括５个值：Ｖ２１为工艺知识文件名（包括文件路径）；Ｖ２２～Ｖ２５为工艺知识文件中，该子任务用到的各类型知识记录单元（规则、框架、规则框架体系、元知识）．Ｆａｃｅｔ３是决策动态信息文件名，用于记录推理所用到的决策知识和数据，为工具系统的跟踪解释机制服务．Ｆａｃｅｔ４是完成子任务的功能构件名，有２个值：对象类名和对象类中的方法名．5 语言功能的实现作为工具系统功能的补充和未来工作的探索，本文也考虑了ＣＡＰＰ系统开发工具语言型功能的实现途径．工具系统对于生产实际中的大量问题难以面面俱到，扩充和修改工艺知识不能达到要求，系统提供的推理机预构件也满足不了具体问题的需要．此时，需要用户设计自己的控制和推理机制．面向对象方法所具有的软件重用和增量型设计特性，为这种功能的实现提供了方便．本文以对象类为中心来组织工具系统，并提供了较多的Ｃ＋＋对象类．对象类的内部结构和外部接口模仿高级Ｃ＋＋编译器（ＶｉｓｕａｌＣ＋＋，ＢｏｒｌａｎｄＣ＋＋）中的窗口类、对话框等对象类．用户在系统提供的对象类库的全面支持下，在ＢｏｒｌａｎｄＣ＋＋的ＯＷＬ语言环境中，通过对象继承、重载和重编译，完成自己的功能构件设计，设计出特定的ＣＡＰＰ系统．这是一种更高层次的开发机制，相当于专家系统开发语言。
【关键字】论文专家系统概述及其应用摘要: 人工智能(Artificial Intelligence) ，英文缩写为AI。
它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。
人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。
专家系统是人工智能应用研究的主要领域。
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处理的复杂问题，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。
本文中介绍了人工智能的概念，分类，特点以及人工智能的研究的发展及其现状。
由此引出专家系统的基本概念及主要特点。
最后，通过查阅各种资料以及自己的理解分析，对专家系统的主要应用做具体分析。
阐述了将计算机人工智能的专家系统理念与全厚度再生机材料配置与设备自动控制系统相结合的思想，同时，具体分析了构建全厚度再生机材料配置与设备自动控制专家系统可供利用的计算机应用技术，并初步建立了该系统的模块体系。
关键词：人工智能，专家系统，全厚度再生机材料配置与设备自动控制系统Expert system outline and applicationAbstract: The artificial intelligence (Artificial Intelligence), English abbreviation is AI. It is the research, the development uses in simulating, extending and expands human's intelligence theory, the method, technical and an application system new technical science. The artificial intelligence is a computer science branch, it attempts the understanding intelligence the essence, the parallel intergrowth delivers one kind newly to be able to make the response by the human intelligence similar way the intelligent machine, this domain research including robot, language recognition, pattern recognition, natural language processing and expert system and so on.In this article introduced the artificial intelligence concept, the classification, thecharacteristic as well as the artificial intelligence research development and the present situation.From this draws out the expert system the basic concept and the main characteristic. Finally, through consults each kind of material as well as own understanding analysis, makes the concrete elaboration to the expert system main application. Introduced unifies the computer artificial intelligence expert system idea and the Auto-Control system plan, simultaneously, analyzed the construction to Auto-Control system specifically to be possible to supply the use the computerapplication technology, and established initially module of this expert system.Key word: Artificial intelligence, Expert system, Auto-Control Expert System目录1 引言1.1 人工智能人工智能(Artificial Intelligence) ，英文缩写为AI。
近10年来，随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，尤其是网络技术的进步，专家系统也有了新的重大发展，出现了以Java为核心技术的专家系统开发工具。
由美国Sandia实验室推出的专家系统外壳Jess（Java expert system shell）就是其中的一个出色代表，本文将介绍它的来龙去脉和主要特点，以及围绕Jess我们所做的初步工作。
从LISP到CLIPS专家系统工具，即专家系统语言，是一种比LISP或C语言层次更高的语言，它提供一个推理机去执行该语言的语句。
早期的专家系统工具大都由LISP开发，20世纪80年代中至90年代初是LISP的黄金时期。
但随着LISP的广泛应用，其问题也逐渐暴露。
一是LISP的运行速度。
直到1989年，LISP应用程序只有在用LISP编写的操作系统上才具有较好的运行效率，所以，一些计算机公司专门设计了运行人工智能语言程序的专用机器，但这使每次软件的更新或升级都要付出巨大的代价。
二是LISP的嵌入性。
当要解决一个非常复杂的问题时，LISP显得极其无能为力。
这两点限制了LISP的发展，它只被使用在某些特定的应用领域。
CLIPS（C Language Integrated Production System）正是为解决这些问题而出现的。
它于1984年由美国航空航天局约翰逊空间中心（NASA’s Johnson SpaceCenter）推出，意在克服LISP移植性差、开发工具和硬件成本高、嵌入性低的缺点。
CLIPS是一个基于Rete算法的前向推理语言，用标准C语言编写，目前最新的版本为6.10。
它具有高移植性、高扩展性、强大的知识表达能力和编程方式以及低成本等特点。
一经推出，立即受到欢迎，被广泛应用于政府、工业和学术界，有力地推动了专家系统技术在各领域及各种运行环境下的应用。
目前，CLIPS是一个自由软件，主要由原来在NASA工作的设计人员维护。
它提供了一个新闻讨论组，可作为从事CLIPS的开发人员交换信息的场所。
