人工智能专家系统论文

Huaibei Normal University 专家系统应用分析与设计 学 院 专 业 研 究 方 向 学 生 姓 名 学 号 任课教师姓名 任课教师职称

2013年6月22日 1

人工智能专家系统应用设计分析 【摘要】人工智能是研究、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。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。其中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。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，求解需要专家才能解决的困难问题。

【关键词】计算机，人工智能，专家系统

引言 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。从基础理论的角度出发，其研究基本内容包括：知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程序设计等方面。 人工智能系统的开发和应用，已为人类创造出可观的经济效益，专家系统就是一个例子。随着计算机系统价格的继续下降，人工智能技术必将得到更大的推广，产生更大的经济效益。 专家系统(expert system)是一个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，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。 专家系统属于人工智能的一个重要发展分支，并且应用于数学、物理、医疗、军事、地质勘探、气象、农业、法律、教学、化工、机械、艺术以及计算机科学本身，甚至渗透到政治、经济、军事等重大决策部门，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。[1].[2] 2

一、专家系统 1.1 专家系统的特点 3 (1). 具有专家水平的专业知识：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，既数据级、知识库级、控制级。数据级知识是指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与数据库中。知识库知识是指专家的知识。这一类知识是构成专家系统的基础。控制级知识也称为元知识，是关于如何应用前两种知识的知识，如在问题求解中的搜索策略、推理方法等。具有专家专业水平是专家系统的最大特点。专家系统具有的知识越丰富，质量越高，解决问题的能力就越强。 (2). 能进行有效的推理：专家系统要利用专家知识来求解领域内的具体问题，必须有一个推理机构，能根据用户提供的已知事实，通过应用知识库中的知识，进行有效的推理，以实现问题的求解。 (3). 启发性：专家系统能利用经验的判断知识来对求解的问题作出多个假设。依据某些条件选定一个假设，是推理继续进行。 (4). 透明性：专家系统能够解释推理过程和回答用户提出的问题。 (5). 灵活性：专家系统的知识库与推理机制既相互联系，又相互独立。使系统易于扩充，具有较强的灵活性。 (6). 交互性：专家系统一般都是交互式系统，具有较好的人机界面。一方面它需要与领域专家和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用户的询问。

1.2 专家系统的一般结构 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。专家系统一般包括人机接口、推理机、知识库、动态数据库、知识获取机构和解释机构六部分。各部分的关系如图1所示。

图1 专家系统的一般结构 1.3 专家系统的类型 若按专家系统的特性及功能分类，专家系统可分为10类，如下： 1、解释型专家系统：根据感知数据，经过分析、推理，从而给出相应解释。 2、诊断型专家系统：根据取得的现象、数据或事实推断出系统是否有故障，并能找出产生故障的原因，给出排除故障的方案。 3、预测型专家系统：根据过去和现在的信息推断可能发生和出现的情况。如气象预报、人口预测、水文预报、经济形势预测等。 4

4、设计型专家系统：根据给定的产品要求设计产品的一类系统。 5、规划型专家系统：能按给定目标拟定总体规划、行动计划、运筹优化等，适用于机器人动作控制、工程规划、军事规划、城市规划、生产规划等。 6、控制型专家系统：能根据具体情况，控制整个系统的行为，适用于对各种大型设 及系统进行控制。 7、监督型专家系统：能完成实时的监控任务，并根据监测到的现象做出相应的分析和处理。 8、修理型专家系统：用于制定排除某类故障的规划并实施排除。 9、教学型专家系统：适用于辅助教学，并能根据学生在学习过程中所产生的问题进行分析、评价、找出错误原因，有针对性地确定教学内容或采取其他有效的教学手段。 10、调试型专家系统：能根据相应的标准检测被检测对象存在的错误，并能从多种纠错方案中选出适用于当前情况的最佳方案，排除错误。

1.4 专家系统的开发过程

1.4.1 项目管理 从大的方面来讲，专家系统的开发依赖于所提供的的资源。和别的项目一样，开发业依赖于组织和管理。

项目管理包括下列部分——事实上，项目管理已成为专家系统方法的主题：  活动管理 计划 ➢ 确定活动内容 ➢ 规定活动的优先次序 ➢ 资源需求 ➢ 阶段目标 ➢ 持续时间 ➢ 责任 进度 ➢ 规定开始和结束时间 ➢ 解决同等优先权任务之间的冲突 记事 ➢ 监督项目性能 分析 ➢ 分析计划、进度和已记事的活动  产品配置管理 产品管理 5

➢ 管理产品不同版本 变更管理 ➢ 管理变更建议及其影响评估  资源管理 ➢ 预测资源需求 ➢ 获取资源 ➢ 规定合理使用资源的责任 ➢ 提供紧要资源以减少瓶颈 对于专家系统的开发来讲，活动就是建造系统的工作，下图从系统所经步骤的角度给出了开发一个系统所需的高层活动。

1.4.2 详细生命周期模型 一个大型高质量专家系统，有很多因素都必须考虑。对于那些不打算作为一般用途的小型研究原型来说，并非所有任务或每个阶段都是必须的。不过，又有多少设计作为个人或研究用途开发的软件获得许可，进入了一般用途呢？

1.4.2.1 计划 计划阶段的目的在于产生一个专家系统开发的正式工作计划(work plan)，该工作计划是用来指导和评估开发的一套文档。下图列出了该阶段的任务。

可行性研究快速原型精炼系统（α-测试）现场测试（β-测试）商业化系统维护和升级

说明项目可行的论证报告 快速建立专家系统模型来证明设想、激发热情和加强高层管理人员的印象

由知识工程师和专家通过现实问题在实验室验证系统

挑选一般的用户来测试系统 证实与测试 培训 用户文档 通过电话/电子邮件提供快捷用户支持

修补漏洞 6

可行性分析是生命周期中最重要的任务。它必须回答这个项目是否值得做以及相应的选用专家系统是否合适。这两个问题的答案决定了项目是否应用专家系统方法进行。可行性分析设计许多因素，正如上图中讨论的那样，这些因素包括选择一个合适的专家系统问题领域、成不和收益问题等等。

1.4.2.2 知识定义 知识定义阶段(Knowledge definition stage)的目的是定义专家系统的知识需求，包括下面的连个主要任务：

1. 知识来源鉴别与选择 2. 知识获取、分析与提炼 每个主要任务均由其他任务组成。表中描述了知识来源鉴别与选择的任务。 7

知识获取任务(Knowledge acquisition task)、知识分析任务(Knowledge analysis task)和知识提取任务(Knowledge extraction task)的主要目的是产生和验证系统所需要的知识，从知识被确定基线开始，它应是正确的和合适的以便下阶段的知识设计。除了常用的访问专家方法外，其他一些方法如搜集网(Repertory grid)或者自创理论(Personal construct theroy)也可用于实现知识的自动获取。

1.4.2.3 知识设计 知识设计阶段(Knowledge design stage)的目的是产生专家系统的详细设计。该阶段包括两个主要任务：

1. 知识定义 2. 详细设计 表中描述了知识定义的任务。

明确事实结构的基本思想便于优化设计。例如，像“价格10”这样的事实本身意义并不明确。“10”代表什么呢？如果在事实中含有附加信息，如“价格10”或者更进一步，“黄金价格10”，那么黄金价格就是有意义的。注意事实的这种形式是传统的对象——属性——值形式，因此方便人们阅读与理解。CLIPS通过规则的自定义模板结构以及对象机制支持这种形式。

1.4.2.4 编码与校验 表中描述了编码与校验阶段(Code and checkout stage)，它从实际的代码实现开始。

这个阶段结束于测试准备复查(Test readiness review)，测试准备复查决定专家系统是否为下一阶段的知识验证做好了准备。

1.4.2.5 知识验证 知识验证阶段(Knowledge verification stage)的目的是决定系统的正确性、完备性和一致性。该阶段分为两个主要任务：