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1 高 等 学 校 教 材 人 工 智 能 原 理 与 应 用 张 仰 森 高 等 教 育 出 版 社

2 内 容 提 要 本 书 是 作 者 依 据 自 己 的 教 学 实 践, 学 习 吸 纳 前 辈 经 验, 归 纳 提 炼 创 新 而 形 成 的 具 有 特 色 的 教 材 书 中 比 较 系 统 地 介 绍 了 人 工 智 能 的 基 本 原 理 方 法 和 应 用 技 术 全 书 共 分 两 篇, 包 括 十 章 内 容 第 一 篇 为 原 理 篇, 主 要 论 述 知 识 表 示 知 识 获 取 以 及 知 识 运 用 三 大 问 题, 包 括 人 工 智 能 的 基 本 概 念 及 其 发 展 状 况 知 识 表 示 方 法 确 定 性 推 理 方 法 不 确 定 性 推 理 方 法 状 态 空 间 搜 索 策 略 和 机 器 学 习 等 内 容 第 二 篇 为 应 用 篇, 介 绍 自 然 语 言 理 解 专 家 系 统 人 工 神 经 网 络 等 研 究 领 域, 并 在 第 十 章 对 数 据 挖 掘 和 Agent 技 术 等 热 点 研 究 领 域 进 行 了 介 绍 每 章 都 给 出 了 大 量 的 例 题 和 习 题, 大 多 数 习 题 的 参 考 解 答 已 在 高 等 教 育 出 版 社 出 版 的 同 等 学 力 人 员 申 请 硕 士 学 位 考 试 用 书 人 工 智 能 原 理 复 习 与 考 试 指 导 ( 第 二 版 ) 中 给 出 本 书 的 特 色 是 简 明 实 用, 逻 辑 性 强, 可 读 性 好, 教 学 生 动 手 解 题, 符 合 当 前 素 质 教 育 的 要 求, 让 学 生 在 有 限 的 时 间 内, 掌 握 人 工 智 能 的 基 本 原 理 与 应 用 技 术, 提 高 对 人 工 智 能 习 题 的 求 解 能 力 考 虑 到 同 等 学 力 申 请 硕 士 学 位 人 员 对 人 工 智 能 知 识 的 要 求, 附 录 中 还 提 供 了 3 套 历 年 全 国 统 一 考 试 的 真 题 及 参 考 解 答, 成 为 本 书 另 一 突 出 特 色 本 书 可 作 为 高 等 学 校 相 关 专 业 高 年 级 本 科 生 和 研 究 生 的 教 材, 也 可 供 从 事 人 工 智 能 研 究 和 应 用 的 科 技 工 作 者 参 考, 还 可 供 同 等 学 力 申 请 硕 士 学 位 人 员 以 及 参 加 其 他 考 试 的 相 关 人 员 参 考

3 前 言 人 工 智 能 是 计 算 机 科 学 的 一 个 分 支, 它 是 在 科 学 技 术 迅 速 发 展 及 新 思 想 新 观 点 新 理 论 新 技 术 不 断 涌 现 的 形 势 下 出 现 的 一 个 学 科, 也 是 一 门 涉 及 数 学 计 算 机 科 学 控 制 论 信 息 论 心 理 学 哲 学 等 学 科 的 交 叉 和 边 缘 学 科 自 1956 年 首 次 提 出 人 工 智 能 这 一 术 语 以 来, 在 40 多 年 的 时 间 内, 人 工 智 能 学 科 的 发 展 经 历 了 不 少 的 争 论 困 难 和 挑 战, 曲 曲 折 折, 起 起 伏 伏, 但 在 研 究 者 们 百 折 不 挠 的 努 力 下, 它 还 是 不 断 向 前, 发 展 壮 大 它 的 诞 生 与 发 展 成 为 20 世 纪 最 伟 大 的 科 学 成 就 之 一, 也 将 在 21 世 纪 以 信 息 技 术 为 主 导 的 知 识 经 济 时 代 引 起 越 来 越 多 的 人 的 重 视, 并 对 推 动 科 学 技 术 的 进 步 和 发 展 发 挥 更 大 的 作 用 随 着 人 工 智 能 重 要 性 的 日 渐 显 现, 为 了 提 高 学 生 的 综 合 素 质, 培 养 学 生 的 创 新 能 力 以 适 应 网 络 经 济 时 代 的 要 求, 国 内 外 许 多 高 等 学 校 都 在 高 年 级 本 科 生 和 研 究 生 中 开 设 了 人 工 智 能 课 程, 以 便 学 生 掌 握 人 工 智 能 的 基 本 原 理 与 应 用 技 术 1999 年, 国 务 院 学 位 委 员 会 办 公 室 更 是 将 人 工 智 能 列 为 同 等 学 力 人 员 申 请 硕 士 学 位 计 算 机 科 学 与 技 术 学 科 综 合 水 平 全 国 统 一 考 试 的 选 考 科 目 之 一 本 书 是 作 者 在 自 己 的 科 研 与 教 学 实 践 基 础 上, 吸 收 国 内 外 多 种 人 工 智 能 教 材 的 优 点 以 及 最 新 的 研 究 成 果 编 写 而 成 在 编 写 过 程 中 力 求 做 到 以 下 几 点 : 可 读 性 在 内 容 安 排 上 力 求 由 浅 入 深, 循 序 渐 进, 逻 辑 严 谨, 前 呼 后 应 ; 在 语 言 表 达 方 面, 力 求 通 俗 易 懂, 文 笔 流 畅, 通 过 大 量 的 实 例 说 明 难 于 理 解 的 概 念 方 法 和 解 题 步 骤, 使 读 者 易 于 理 解 所 学 内 容 简 明 性 在 书 写 上 力 求 简 明, 对 内 容 的 轻 重 和 主 次 力 求 处 理 得 当, 注 意 做 到 既 条 理 清 楚, 论 述 全 面, 又 简 单 明 了, 避 免 累 赘 和 重 复 实 用 性 在 讲 清 概 念 的 同 时, 力 求 对 知 识 表 示 自 动 推 理 机 器 学 习 状 态 空 间 搜 索 和 自 然 语 言 理 解 等 各 类 问 题 的 求 解 方 法 和 步 骤 进 行 归 纳 总 结, 并 通 过 大 量 的 例 题 对 这 些 解 题 方 法 进 行 讲 解, 以 增 强 学 习 者 的 动 手 解 题 能 力 人 工 智 能 教 学 过 程 中 遇 到 的 最 大 问 题 是 习 题 求 解, 许 多 人 拿 到 人 工 智 能 的 习 题 无 从 下 手 本 书 通 过 大 量 例 题 的 讲 解, 系 统 地 总 结 了 知 识 表 示 自 动 推 理 ( 包 括 确 定 性 推 理 和 不 确 定 性 推 理 ) 状 态 空 间 搜 索 等 各 类 问 题 的 求 解 方 法 和 步 骤, 使 人 工 智 能 的 问 题 求 解 变 得 有 章 可 循 易 于 实 现, 只 要 读 者 按 照 书 中 所 列 的 解 题 步 骤 求 解, 相 信 大 部 分 习 题 都 能 迎 刃 而 解 本 书 由 两 篇 构 成, 第 一 篇 为 原 理 篇, 第 二 篇 为 应 用 篇 第 一 篇 的 第 一 章 简 要 介 绍 了 人 工 智 能 的 基 本 概 念 研 究 发 展 的 状 况 以 及 各 个 学 派 的 观 点, 并 对 它 的 研 究 与 应 用 领 域 进 行 了 必

4 2 前 言 要 的 讨 论 第 二 章 至 第 六 章 对 人 工 智 能 基 本 原 理 中 的 三 个 问 题, 即 知 识 表 示 知 识 获 取 及 知 识 运 用 方 法 进 行 论 述 这 里 要 提 及 的 是, 数 据 挖 掘 是 近 年 来 兴 起 的 一 种 新 的 知 识 获 取 方 法, 本 应 放 在 第 六 章 讲 解, 但 考 虑 到 它 是 目 前 人 工 智 能 领 域 的 研 究 热 点, 故 和 Agent 技 术 一 起 放 在 了 第 十 章, 并 做 了 较 详 细 的 论 述 第 二 篇 的 第 七 章 至 第 九 章, 主 要 介 绍 了 人 工 智 能 几 个 较 有 影 响 的 应 用 研 究 领 域, 包 括 自 然 语 言 理 解 专 家 系 统 人 工 神 经 网 络 由 于 数 据 挖 掘 与 Agent 技 术 是 当 前 人 工 智 能 学 科 中 相 当 热 门 的 两 个 研 究 领 域, 且 大 多 数 传 统 的 人 工 智 能 教 材 中 较 少 涉 及, 有 关 这 两 个 领 域 的 教 材 或 专 著 市 场 上 也 较 少, 为 了 紧 跟 人 工 智 能 发 展 的 脚 步, 我 们 单 独 列 出 第 十 章 对 它 们 进 行 介 绍, 以 便 读 者 对 这 两 个 热 点 研 究 领 域 有 一 个 初 步 的 了 解 本 书 简 明 实 用, 符 合 当 前 素 质 教 育 的 要 求, 教 师 可 在 40~60 学 时 内 讲 完 本 教 材 的 全 部 内 容 或 选 讲 部 分 内 容, 让 学 生 在 有 限 的 时 间 内, 掌 握 人 工 智 能 的 基 本 原 理 与 应 用 技 术, 提 高 对 人 工 智 能 习 题 的 求 解 能 力 另 外 要 指 出 的 是, 书 中 内 容 基 本 符 合 同 等 学 力 人 员 申 请 硕 士 学 位 综 合 水 平 全 国 统 一 考 试 大 纲 及 指 南 ( 第 二 版 ) 中 人 工 智 能 部 分 考 试 的 要 求, 可 作 为 考 试 人 员 的 辅 导 教 材, 还 可 以 作 为 其 他 对 人 工 智 能 感 兴 趣 人 员 的 自 学 用 书 作 者 要 特 别 感 谢 参 考 文 献 中 所 列 专 著 教 材 和 高 水 平 论 文 的 作 者 们, 正 是 他 们 的 优 秀 作 品 为 作 者 提 供 了 非 富 的 营 养, 使 得 作 者 能 够 在 自 己 科 研 与 教 学 实 践 的 基 础 上, 汲 取 各 家 之 长, 形 成 一 本 具 有 自 己 特 色 的 教 材 北 京 理 工 大 学 计 算 机 系 的 曹 元 大 教 授 龚 元 明 教 授 为 作 者 提 供 了 真 诚 的 帮 助, 在 此 表 示 衷 心 的 感 谢 王 沛 黄 改 娟 王 磊 靳 占 鹏 等 参 与 了 部 分 书 稿 的 录 入 和 排 版 工 作, 在 此 表 示 衷 心 的 感 谢 另 外, 王 铁 王 晓 凯 张 涛 张 龙 飞 等 博 士 也 给 予 了 热 情 的 关 心 和 帮 助, 在 此 一 并 致 谢 在 本 书 编 写 过 程 中, 高 等 教 育 出 版 社 计 算 机 分 社 社 长 刘 建 元 老 师 给 予 了 大 力 支 持 与 帮 助, 作 者 在 此 表 示 深 深 的 谢 意 需 要 本 书 各 章 后 面 习 题 参 考 解 答 的 读 者 可 直 接 与 高 等 教 育 出 版 社 计 算 机 分 社 联 系, 或 参 阅 该 社 出 版 的 人 工 智 能 原 理 复 习 与 考 试 指 导 ( 第 二 版 ) 一 书 本 书 在 编 写 过 程 中, 虽 然 尽 最 大 努 力 求 完 美, 但 由 于 作 者 水 平 所 限, 书 中 的 疏 漏 和 错 误 都 在 所 难 免, 恳 请 各 位 专 家 和 广 大 读 者 批 评 指 正 张 仰 森 2003 年 11 月

5 目 录 第 一 篇 人 工 智 能 基 本 原 理 第 一 章 绪 论 (3) 1.1 人 工 智 能 的 诞 生 及 发 展 (3) 1.2 人 工 智 能 的 定 义 (4) 1.3 人 工 智 能 研 究 的 方 法 及 途 径 (6) 人 工 智 能 研 究 的 各 种 学 派 及 其 理 论 (6) 实 现 人 工 智 能 的 技 术 路 线 (9) 1.4 人 工 智 能 的 研 究 及 应 用 领 域 (9) 问 题 求 解 (10) 机 器 学 习 (10) 专 家 系 统 (11) 模 式 识 别 (11) 自 动 定 理 证 明 (11) 自 动 程 序 设 计 (12) 自 然 语 言 理 解 (12) 机 器 人 学 (13) 人 工 神 经 网 络 (13) 智 能 检 索 (14) 习 题 一 (14) 第 二 章 知 识 表 示 方 法 (15) 2.1 概 述 (15) 知 识 信 息 和 数 据 (15) 知 识 的 特 性 (16) 知 识 的 分 类 (17) 知 识 的 表 示 (18) 2.2 一 阶 谓 词 逻 辑 表 示 法 (19) 知 识 的 谓 词 逻 辑 表 示 法 (19) 用 谓 词 公 式 表 示 知 识 的 步 骤 (20) 谓 词 公 式 表 示 知 识 的 举 例 (20) 一 阶 谓 词 逻 辑 表 示 法 的 特 点 (24) 2.3 产 生 式 表 示 法 (25) 产 生 式 可 表 示 的 知 识 种 类 及 其 基 本 形 式 (25) 知 识 的 表 示 方 法 (26) 产 生 式 系 统 的 组 成 (27) 产 生 式 系 统 的 推 理 方 式 (29) 产 生 式 表 示 法 的 特 点 (30) 2.4 语 义 网 络 表 示 法 (30) 语 义 网 络 的 概 念 及 其 结 构 (31) 语 义 网 络 中 常 用 的 语 义 联 系 (32) 语 义 网 络 表 示 知 识 的 方 法 (35) 用 语 义 网 络 表 示 知 识 的 步 骤 (40) 语 义 网 络 表 示 知 识 举 例 (41) 语 义 网 络 表 示 下 的 推 理 过 程 (45) 语 义 网 络 表 示 法 的 特 点 (47) 2.5 框 架 表 示 法 (48) 框 架 理 论 (48) 框 架 的 定 义 及 组 成 (48) 用 框 架 表 示 知 识 的 步 骤 (50) 框 架 举 例 (52) 框 架 表 示 下 的 推 理 方 法 (55) 框 架 表 示 法 的 特 点 (57) 2.6 面 向 对 象 的 表 示 法 (57) 面 向 对 象 的 基 本 概 念 (58) 表 示 知 识 的 方 法 (60) 2.7 脚 本 表 示 法 (61) 脚 本 的 定 义 与 组 成 (61) 用 脚 本 表 示 知 识 的 步 骤 (63)

6 2 目 录 用 脚 本 表 示 知 识 举 例 (64) 脚 本 表 示 下 的 推 理 方 法 (66) 脚 本 表 示 法 的 特 点 (67) 2.8 过 程 表 示 法 (67) 知 识 的 过 程 表 示 法 (67) 过 程 表 示 的 问 题 求 解 举 例 (69) 过 程 表 示 法 的 特 点 (70) 2.9 状 态 空 间 表 示 法 (71) 问 题 状 态 空 间 的 构 成 (71) 用 状 态 空 间 表 示 问 题 的 步 骤 (72) 利 用 状 态 空 间 求 解 问 题 的 过 程 (72) 2.10 与 / 或 树 表 示 法 (74) 问 题 的 分 解 与 等 价 变 换 (74) 问 题 归 约 的 与 / 或 树 表 示 (75) 用 与 / 或 树 表 示 问 题 的 步 骤 (76) 与 / 或 树 表 示 举 例 (77) 习 题 二 (78) 第 三 章 确 定 性 推 理 方 法 (81) 3.1 推 理 概 述 (81) 推 理 的 基 本 概 念 (81) 推 理 的 方 法 及 其 分 类 (82) 推 理 的 控 制 策 略 (85) 推 理 的 冲 突 消 解 策 略 (92) 3.2 命 题 逻 辑 (93) 命 题 (94) 命 题 公 式 (94) 3.3 谓 词 逻 辑 (96) 谓 词 与 个 体 (96) 谓 词 公 式 (97) 谓 词 公 式 的 永 真 性 和 可 满 足 性 (98) 谓 词 公 式 的 等 价 性 与 永 真 蕴 涵 (100) 置 换 与 合 一 (102) 3.4 自 然 演 绎 推 理 方 法 (105) 自 然 演 绎 推 理 的 概 念 (105) 利 用 演 绎 推 理 解 决 问 题 (106) 演 绎 推 理 的 特 点 (107) 3.5 归 结 推 理 方 法 (108) 谓 词 公 式 与 子 句 集 (108) Herbrand 理 论 (112) 归 结 原 理 (117) 利 用 归 结 原 理 进 行 定 理 证 明 (122) 应 用 归 结 原 理 进 行 问 题 求 解 (126) 3.6 归 结 过 程 的 控 制 策 略 (128) 引 入 控 制 策 略 (128) 归 结 控 制 策 略 及 其 应 用 举 例 (130) 习 题 三 (133) 第 四 章 不 确 定 性 推 理 方 法 (136) 4.1 不 确 定 性 推 理 概 述 (136) 不 确 定 性 推 理 的 概 念 (136) 不 确 定 性 推 理 方 法 的 分 类 (137) 不 确 定 性 推 理 中 的 基 本 问 题 (138) 4.2 可 信 度 方 法 (139) 可 信 度 的 概 念 (140) 知 识 不 确 定 性 的 表 示 (140) 证 据 不 确 定 性 的 表 示 (142) 不 确 定 性 的 推 理 计 算 (143) 可 信 度 方 法 应 用 举 例 (145) 4.3 主 观 Bayes 方 法 (151) 基 本 Bayes 公 式 (151) 主 观 Bayes 方 法 及 其 推 理 网 络 (153) 知 识 不 确 定 性 的 表 示 (154) 证 据 不 确 定 性 的 表 示 (155) 不 确 定 性 的 推 理 计 算 (156)

7 目 录 结 论 不 确 定 性 的 合 成 与 更 新 算 法 (162) 主 观 Bayes 方 法 应 用 举 例 (163) 4.4 证 据 理 论 (170) D-S 理 论 的 数 学 基 础 (170) 特 定 概 率 分 配 函 数 (174) 基 于 特 定 概 率 分 配 函 数 的 不 确 定 性 推 理 模 型 (176) 证 据 理 论 解 题 举 例 (178) 习 题 四 (183) 第 五 章 状 态 空 间 搜 索 策 略 (186) 5.1 搜 索 的 概 念 及 种 类 (186) 搜 索 的 概 念 (186) 搜 索 的 种 类 (187) 5.2 盲 目 搜 索 策 略 (187) 状 态 空 间 图 的 搜 索 策 略 (187) 宽 度 优 先 搜 索 策 略 (190) 深 度 优 先 搜 索 (192) 有 界 深 度 优 先 搜 索 (194) 代 价 树 的 宽 度 优 先 搜 索 (196) 代 价 树 的 深 度 优 先 搜 索 (198) 5.3 启 发 式 搜 索 策 略 (200) 启 发 信 息 与 估 价 函 数 (201) 最 佳 优 先 搜 索 (202) A * 算 法 (206) 习 题 五 (208) 第 六 章 机 器 学 习 (211) 6.1 概 述 (211) 什 么 是 机 器 学 习 (211) 研 究 机 器 学 习 的 意 义 (212) 机 器 学 习 的 发 展 史 (213) 机 器 学 习 的 主 要 策 略 (214) 6.2 机 器 学 习 系 统 的 基 本 模 型 (215) 环 境 (216) 学 习 环 节 (217) 知 识 库 (217) 执 行 环 节 (218) 6.3 机 械 学 习 (218) 机 械 学 习 的 过 程 (219) 机 械 学 习 系 统 要 考 虑 的 问 题 (219) 6.4 传 授 式 学 习 (220) 6.5 类 比 学 习 (221) 学 习 新 概 念 (221) 学 习 问 题 的 求 解 方 法 (222) 6.6 归 纳 学 习 (223) 实 例 学 习 (223) 观 察 与 发 现 学 习 (228) 6.7 基 于 解 释 的 学 习 (229) 基 于 解 释 学 习 的 工 作 原 理 (230) 基 于 解 释 学 习 举 例 (231) 领 域 知 识 的 完 善 性 (232) 习 题 六 (233) 第 二 篇 人 工 智 能 的 应 用 第 七 章 自 然 语 言 理 解 (237) 7.1 自 然 语 言 及 其 理 解 (237) 自 然 语 言 及 其 构 成 (237) 自 然 语 言 理 解 的 概 念 (239) 自 然 语 言 理 解 研 究 的 进 展 (240) 自 然 语 言 理 解 过 程 的 层 次 (243) 7.2 词 法 分 析 (244) 7.3 句 法 分 析 (245) 短 语 结 构 语 法 理 论 与 乔 姆 斯 基 语 法 体 系 (245) 递 归 转 移 网 络 与 扩 充 转 移 网 络 (248) 词 汇 功 能 语 法 (254) 自 动 句 法 分 析 算 法 (257) 7.4 语 义 分 析 (262) 7.5 大 规 模 真 实 文 本 的 处 理 (265) 语 料 库 语 言 学 的 崛 起 (265)

8 4 目 录 语 料 库 语 言 学 的 特 点 及 研 究 对 象 (266) 汉 语 语 料 库 加 工 的 基 本 方 法 (267) 统 计 学 方 法 的 应 用 及 所 面 临 的 问 题 (271) 7.6 基 于 语 料 库 的 自 然 语 言 建 模 方 法 (271) 基 于 概 率 分 布 的 语 言 建 模 (272) 基 于 上 下 文 信 息 的 语 言 建 模 (273) 基 于 组 合 思 想 的 语 言 建 模 (276) 语 言 建 模 的 相 关 问 题 (277) 习 题 七 (279) 第 八 章 专 家 系 统 (282) 8.1 专 家 系 统 概 述 (282) 专 家 系 统 的 产 生 与 发 展 (282) 专 家 系 统 的 定 义 (284) 专 家 系 统 的 种 类 (284) 专 家 系 统 的 一 般 特 点 (288) 8.2 专 家 系 统 的 基 本 结 构 (290) 综 合 数 据 库 及 其 管 理 系 统 (290) 知 识 库 及 其 管 理 系 统 (291) 知 识 获 取 机 构 (291) 推 理 机 (292) 解 释 器 (292) 人 - 机 接 口 (292) 8.3 知 识 获 取 (293) 知 识 获 取 的 任 务 (293) 知 识 获 取 的 主 要 途 径 (294) 8.4 专 家 系 统 的 设 计 与 建 造 (298) 开 发 专 家 系 统 的 基 本 要 求 (298) 专 家 系 统 建 造 的 步 骤 (300) 8.5 专 家 系 统 的 评 价 (304) 8.6 专 家 系 统 开 发 工 具 (305) 语 言 型 开 发 工 具 (306) 骨 架 型 开 发 工 具 (307) 通 用 型 开 发 工 具 (309) 开 发 环 境 与 辅 助 型 开 发 工 具 (310) 8.7 新 一 代 专 家 系 统 的 发 展 (313) 新 一 代 专 家 系 统 应 具 备 的 特 征 (313) 分 布 式 专 家 系 统 (314) 协 同 式 专 家 系 统 (315) 习 题 八 (316) 第 九 章 人 工 神 经 网 络 (317) 9.1 神 经 网 络 的 基 本 概 念 及 组 成 特 性 (317) 生 物 神 经 元 的 结 构 与 功 能 特 性 (317) 人 工 神 经 网 络 的 组 成 与 结 构 (319) 人 工 神 经 网 络 研 究 的 兴 起 与 发 展 (322) 9.2 感 知 器 模 型 及 其 学 习 算 法 (324) 感 知 器 模 型 (324) 单 层 感 知 器 模 型 的 学 习 算 法 (325) 线 性 不 可 分 问 题 (326) 多 层 感 知 器 (328) 9.3 反 向 传 播 模 型 及 其 学 习 算 法 (329) 反 向 传 播 模 型 及 其 网 络 结 构 (329) 反 向 传 播 网 络 的 学 习 算 法 (330) 反 向 传 播 计 算 的 举 例 (334) 9.4 Hopfield 模 型 及 其 学 习 算 法 (335) Hopfield 模 型 (335) Hopfield 网 络 的 学 习 算 法 (337) 习 题 九 (338) 第 十 章 数 据 挖 掘 与 Agent 技 术 (339) 10.1 数 据 挖 掘 及 其 应 用 (339) 数 据 挖 掘 与 知 识 发 现 (339)

9 目 录 数 据 挖 掘 的 概 念 与 研 究 内 容 (340) 数 据 挖 掘 的 功 能 与 作 用 (343) 数 据 挖 掘 的 模 型 与 算 法 (348) 数 据 挖 掘 的 工 具 (352) 数 据 挖 掘 的 常 用 技 术 比 较 (353) 数 据 挖 掘 的 过 程 (354) 数 据 挖 掘 的 研 究 热 点 与 发 展 趋 势 (356) 10.2 Agent 技 术 及 其 应 用 (360) Agent 技 术 的 形 成 与 发 展 (360) Agent 的 定 义 与 体 系 结 构 (362) 多 Agent 系 统 (370) 面 向 Agent 的 程 序 设 计 (374) Agent 技 术 所 面 临 的 挑 战 (377) 习 题 十 (378) 附 录 (380) 附 录 A 附 录 B 计 算 机 科 学 与 技 术 学 科 综 合 考 试 人 工 智 能 真 题 (380) 计 算 机 科 学 与 技 术 学 科 综 合 考 试 人 工 智 能 真 题 参 考 解 答 (386) 参 考 文 献 (392)

10 第 八 章 专 家 系 统 专 家 系 统 是 人 工 智 能 应 用 研 究 的 一 个 重 要 分 支 自 20 世 纪 60 年 代 末, 费 根 鲍 姆 等 人 研 制 成 功 第 一 个 专 家 系 统 DENDRAL 以 来, 专 家 系 统 已 被 成 功 地 运 用 到 工 业 农 业 地 质 矿 产 业 科 学 技 术 医 疗 教 育 军 事 等 众 多 领 域, 并 已 产 生 了 巨 大 的 社 会 效 益 和 经 济 效 益 它 实 现 了 人 工 智 能 从 理 论 研 究 走 向 实 际 应 用, 从 一 般 思 维 方 法 探 讨 转 入 专 门 知 识 运 用 的 重 大 突 破 成 为 人 工 智 能 应 用 研 究 中 最 活 跃 也 最 有 成 效 的 一 个 重 要 领 域 8.1 专 家 系 统 概 述 专 家 系 统 的 产 生 与 发 展 长 期 以 来, 人 工 智 能 的 科 学 家 们 就 希 望 开 发 出 一 种 在 某 种 意 义 上 能 够 思 考 的 计 算 机 程 序 专 家 系 统 正 是 为 恰 如 其 分 地 定 义 这 些 程 序 的 本 质 所 做 的 多 年 探 索 的 成 果, 它 的 出 现 为 人 工 智 能 的 研 究 带 来 了 勃 勃 生 机, 使 之 进 入 了 一 个 新 的 发 展 时 期 1968 年 世 界 上 的 第 一 个 专 家 系 统 DENDRAL 在 美 国 的 斯 坦 福 大 学 研 发 成 功, 它 是 费 根 鲍 姆 与 化 学 家 勒 德 贝 格 (J.Lederberg) 合 作 的 结 果 20 世 纪 60 年 代 中 期, 勒 德 贝 格 提 出 了 一 种 可 以 根 据 输 入 的 质 谱 仪 数 据 列 出 所 有 可 能 的 分 子 结 构 的 算 法, 并 在 此 之 后 的 3 年 里, 与 费 根 鲍 姆 等 人 一 起 探 讨 了 用 规 则 表 示 知 识 的 系 统 之 建 立 方 法, 并 建 成 了 DENDRAL 系 统, 期 望 利 用 这 一 系 统 在 更 短 的 时 间 内 完 成 类 似 于 人 工 列 写 所 有 可 能 分 子 结 构 的 工 作 DENDRAL 是 世 界 上 第 一 例 成 功 的 专 家 系 统, 它 的 出 现 标 志 着 人 工 智 能 的 一 个 新 领 域 专 家 系 统 的 诞 生 从 此, 各 种 不 同 类 型 的 专 家 系 统 相 继 建 立 20 世 纪 60 年 代 末, 美 国 麻 省 理 工 学 院 开 始 研 究 用 于 解 决 复 杂 微 积 分 运 算 和 数 学 推 导 的 专 家 系 统 MACSYMA, 经 过 十 年 的 努 力, 终 于 研 制 成 功, 该 系 统 包 含 了 30 多 万 行 的 LISP 语 句 卡 内 基 - 梅 隆 大 学 在 同 一 时 期 也 开 发 了 一 个 用 于 语 音 识 别 的 专 家 系 统 HEARSAY, 并 相 继 研 发 成 功 HEARSAY-Ⅱ 和 HEARSAY-Ⅲ 1974 年, 匹 兹 堡 大 学 的 鲍 波 尔 (H.E.Pople) 和 内 科 医 生 合 作 研 制 成 功

11 8.1 专 家 系 统 概 述 283 内 科 病 诊 断 咨 询 系 统 INTERNIST, 并 在 以 后 对 其 不 断 完 善, 使 之 发 展 成 专 家 系 统 CADUCEUS 20 世 纪 70 年 代 中 期, 专 家 系 统 的 观 点 逐 渐 被 人 们 接 受, 许 多 卓 有 成 效 的 专 家 系 统 相 继 研 发 成 功, 其 中 较 具 代 表 性 的 有 MYCIN,PROSPECTOR 等 MYCIN 于 1976 年 由 美 国 斯 坦 福 大 学 的 E.H.Shortlife 开 发 成 功, 其 主 要 设 计 目 的 是 为 细 菌 感 染 疾 病 提 供 抗 菌 剂 治 疗 建 议 从 患 者 哪 里 获 取 临 床 抽 样,MYCIN 能 快 速 地 得 出 最 初 的 培 养 物 报 告, 而 人 做 则 需 要 24~28 小 时 甚 至 更 长 的 时 间 MYCIN 还 首 次 使 用 了 目 前 专 家 系 统 中 常 用 的 知 识 库 的 概 念, 并 在 不 确 定 性 的 表 示 和 处 理 中 采 用 了 可 信 度 的 方 法 PROSPECTOR 是 由 美 国 斯 坦 福 大 学 国 际 研 究 所 人 工 智 能 研 究 中 心 的 R.O.Duda 等 人 于 1976 年 研 制 的 一 个 探 矿 专 家 系 统, 该 系 统 把 矿 床 模 型 按 计 算 机 能 解 释 的 形 式 编 码, 随 后 利 用 这 些 模 型 进 行 推 理, 达 到 勘 探 评 价 区 域 资 源 估 值 钻 井 井 位 选 择 的 目 的 1982 年, 美 国 利 用 该 系 统 对 华 盛 顿 州 的 某 一 山 区 地 带 的 地 质 资 料 进 行 分 析, 发 现 了 一 个 钼 矿 床, 使 之 成 为 第 一 个 取 得 明 显 经 济 效 益 的 专 家 系 统, 也 是 目 前 世 界 上 公 认 的 著 名 专 家 系 统 之 一 除 了 MYCIN 和 PROSPECTOR 外, 还 有 一 些 比 较 著 名 的 专 家 系 统, 如 用 于 青 光 眼 病 诊 断 和 治 疗 的 CASNET 系 统 等 进 入 20 世 纪 80 年 代 以 后, 专 家 系 统 的 研 发 开 始 趋 于 商 品 化 专 家 系 统 的 研 发 面 向 一 些 实 际 应 用, 目 标 是 要 能 产 生 经 济 效 益 例 如, 由 数 字 设 备 公 司 (DEC) 和 卡 内 基 - 梅 隆 大 学 合 作 研 发 的 专 家 系 统 XCON, 是 一 个 用 于 为 VAX 计 算 机 系 统 制 定 硬 件 配 置 方 案 的 商 用 系 统, 创 造 了 巨 大 的 经 济 效 益 ACE 是 由 贝 尔 实 验 室 于 80 年 代 初 开 发 的 一 个 用 于 设 备 错 误 诊 断 的 专 家 系 统,AT&T 公 司 一 直 用 它 来 定 位 和 识 别 在 电 话 网 络 中 的 故 障 点 DELTA 则 是 由 通 用 电 气 公 司 在 80 年 代 中 期 开 发 的 错 误 诊 断 系 统, 它 被 通 用 电 气 公 司 投 入 商 业 应 用 以 帮 助 维 修 人 员 发 现 在 柴 油 发 电 机 中 的 故 障 通 过 使 用 专 家 系 统 对 信 用 卡 进 行 认 证, 使 著 名 的 AmericanExpress 信 用 卡 避 免 了 巨 大 的 损 失 我 国 专 家 系 统 的 研 究 起 步 于 20 世 纪 80 年 代, 虽 然 起 步 较 晚, 但 也 取 得 了 较 好 的 成 绩, 开 发 成 功 了 许 多 具 有 实 用 价 值 的 应 用 型 专 家 系 统 例 如, 南 京 大 学 开 发 的 新 结 构 找 水 专 家 系 统 吉 林 大 学 开 发 的 勘 探 专 家 系 统 和 油 气 资 源 评 价 专 家 系 统 西 安 交 通 大 学 和 中 科 院 西 北 水 土 保 持 研 究 所 联 合 开 发 的 旱 地 小 麦 综 合 管 理 专 家 系 统 以 及 北 京 中 医 学 院 开 发 的 关 幼 波 肝 病 诊 断 专 家 系 统 都 取 得 了 明 显 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益, 为 专 家 系 统 的 理 论 研 究 和 推 广 应 用 起 到 了 积 极 的 推 动 作 用 随 着 人 工 智 能 研 究 的 不 断 深 入, 近 40 年 来, 专 家 系 统 的 研 发 技 术 也 取 得 了 长 足 的 发 展 20 世 纪 70 年 代 中 期 以 前 的 专 家 系 统 多 属 于 解 释 型 或 诊 断 型 的 专 家 系 统, 它 们 所 处 理 的 问 题 基 本 上 是 可 分 解 的 问 题 20 世 纪 70 年 代 后 期, 其 他 类 型 的 专 家 系 统 相 继 出 现, 如 设 计 型 规 划 型 控 制 型 监 视 型 等, 专 家 系 统 的 研 发 技 术 和 体 系 结 构 也 发 生 了 巨 大 的 变 化, 由 最 初 的 单 一 知 识 库 和 单 一 推 理 机 发 展 为 多 知 识 库 和 多 推 理 机, 由 集 中 式 专 家 系 统 发 展 为 分 布

12 284 第 八 章 专 家 系 统 式 专 家 系 统 随 着 神 经 网 络 研 究 近 几 年 的 再 度 兴 起, 人 们 开 始 研 究 神 经 网 络 型 专 家 系 统 以 及 把 符 号 处 理 与 神 经 网 络 相 结 合 开 发 的 专 家 系 统 另 外, 知 识 获 取 是 建 造 专 家 系 统 的 关 键 一 步, 近 年 来, 随 着 机 器 学 习 研 究 的 进 展, 知 识 的 获 取 方 法 已 经 从 手 工 获 取 方 式 发 展 成 了 半 自 动 的 获 取 方 式, 知 识 获 取 的 速 度 和 所 获 得 的 知 识 的 质 量 都 有 了 明 显 的 提 高 在 知 识 表 示 方 面, 已 由 原 来 的 基 于 谓 词 逻 辑 的 精 确 表 示 发 展 成 多 种 不 确 定 性 的 知 识 表 示 方 法 专 家 系 统 中 的 推 理 机 制 也 由 开 始 的 确 定 性 推 理 或 较 简 单 的 不 确 定 性 推 理 发 展 为 面 向 应 用 领 域 的 多 种 复 杂 的 不 确 定 性 推 理, 非 单 调 推 理 模 糊 推 理 等 推 理 方 法 也 都 开 始 研 究 和 应 用 于 专 家 系 统 在 研 究 专 家 系 统 开 发 技 术 的 同 时, 人 们 还 开 展 了 专 家 系 统 开 发 工 具 的 研 究, 先 后 有 多 种 不 同 功 能 不 同 用 途 的 专 家 系 统 开 发 工 具 问 世, 这 些 开 发 工 具 为 提 高 专 家 系 统 的 研 发 质 量 缩 短 研 发 周 期 提 高 系 统 的 用 户 友 好 性 等 方 面 起 到 了 重 要 的 作 用 在 近 40 年 的 发 展 中, 专 家 系 统 的 发 展 虽 然 取 得 了 很 大 的 进 步, 但 还 有 许 多 问 题 需 要 进 一 步 研 究 并 加 以 解 决 例 如, 知 识 的 自 动 获 取 方 法 深 层 知 识 的 表 示 和 利 用 方 法 分 布 式 知 识 的 处 理 方 法 以 及 知 识 的 完 备 性 等 问 题 都 是 要 继 续 探 讨 和 研 究 的 专 家 系 统 的 定 义 到 目 前 为 止, 有 关 专 家 系 统 还 没 有 一 个 严 格 公 认 的 形 式 化 定 义 但 人 们 普 遍 认 为, 专 家 系 统 是 一 种 具 有 大 量 专 门 知 识 与 经 验 的 智 能 程 序 系 统, 它 能 运 用 某 个 领 域 一 个 或 多 个 专 家 多 年 积 累 的 经 验 和 专 门 知 识, 模 拟 领 域 专 家 求 解 问 题 时 的 思 维 过 程, 以 解 决 该 领 域 中 的 各 种 复 杂 问 题 也 就 是 说, 专 家 系 统 具 有 三 个 方 面 的 含 义 : (1) 它 是 一 种 具 有 智 能 的 程 序 系 统 和 普 通 的 程 序 系 统 不 同, 专 家 系 统 是 一 种 能 运 用 专 家 知 识 和 经 验 进 行 推 理 的 启 发 式 程 序 系 统 (2) 它 必 须 包 含 有 大 量 专 家 水 平 的 领 域 知 识, 并 能 在 运 行 过 程 中 不 断 地 对 这 些 知 识 进 行 更 新 (3) 它 能 应 用 人 工 智 能 技 术 模 拟 人 类 专 家 求 解 问 题 的 推 理 过 程, 解 决 那 些 本 来 应 该 由 领 域 专 家 才 能 解 决 的 复 杂 问 题 专 家 系 统 的 种 类 专 家 系 统 的 建 造 往 往 和 应 用 领 域 密 切 相 关, 不 同 的 应 用 领 域 对 专 家 系 统 的 功 能 和 性 能 要 求 是 不 同 的, 在 建 造 时 所 采 用 的 技 术 和 方 法 也 会 不 同 为 了 在 设 计 和 建 造 专 家 系 统 时, 更 好 地 选 择 设 计 方 案, 采 用 适 当 的 开 发 技 术 和 实 现 方 法, 有 必 要 对 专 家 系 统 的 类 型 进 行 讨 论, 以 便 建 立 的 专 家 系 统 在 功 能 和 性 能 上 都 能 符 合 用 户 的 要 求

13 8.1 专 家 系 统 概 述 285 对 专 家 系 统 的 类 型 划 分 可 以 有 多 种 不 同 的 方 法 不 同 的 分 类 方 法 所 得 到 的 分 类 结 果 也 会 不 同 下 面 简 单 介 绍 以 专 家 系 统 的 特 性 与 处 理 问 题 的 类 型 为 依 据 进 行 分 类 的 结 果 和 以 体 系 结 构 为 依 据 对 专 家 系 统 进 行 分 类 的 结 果 1. 按 专 家 系 统 特 性 和 处 理 问 题 的 类 型 分 类 海 叶 斯 - 罗 斯 (F.Heyes-Roth) 等 人 按 照 专 家 系 统 的 特 性 及 处 理 问 题 的 类 型, 将 专 家 系 统 分 为 以 下 10 种 类 型 (1) 解 释 型 解 释 型 专 家 系 统 是 通 过 对 已 知 信 息 和 数 据 进 行 分 析 和 推 理, 从 而 确 定 它 们 的 含 义, 给 出 相 应 解 释 的 一 类 专 家 系 统 该 类 型 系 统 的 主 要 特 点 是 能 够 对 大 量 的 往 往 是 不 准 确 的 或 错 误 的 数 据 或 信 息 进 行 处 理, 还 能 对 某 些 有 缺 省 或 遗 漏 的 不 完 全 数 据 做 出 一 些 假 设 补 充, 进 而 对 其 做 出 较 合 理 的 解 释 解 释 型 专 家 系 统 的 例 子 包 括 语 音 识 别 图 像 分 析 系 统 监 视 化 学 结 构 分 析 和 信 号 解 释 等 例 如,DENDRAL 就 是 解 释 型 的 化 学 结 构 分 析 系 统, 而 HEARSAY 则 是 解 释 型 的 语 音 识 别 专 家 系 统 (2) 诊 断 型 诊 断 型 专 家 系 统 是 根 据 输 入 系 统 的 有 关 被 诊 断 对 象 的 信 息, 来 推 断 出 相 应 对 象 存 在 的 故 障 和 产 生 故 障 的 原 因, 并 进 一 步 给 出 排 除 故 障 方 法 的 一 类 专 家 系 统 该 类 型 的 专 家 系 统 的 主 要 特 点 是, 能 够 分 析 和 掌 握 被 诊 断 对 象 的 组 成 特 性 以 及 各 组 成 部 分 间 的 关 系, 能 够 通 过 诊 断 对 象 的 表 面 症 状 辨 别 出 被 掩 盖 的 现 象, 甚 至 可 以 从 一 些 用 户 提 供 的 不 太 确 切 的 信 息 中 发 现 真 正 的 故 障, 并 通 过 知 识 库 中 的 知 识 提 供 相 应 的 故 障 排 除 建 议 凡 是 用 于 医 疗 诊 断 电 子 或 机 械 故 障 诊 断 产 品 质 量 鉴 定 以 及 材 料 失 效 诊 断 等 的 专 家 系 统 都 属 于 这 一 类 例 如, 著 名 的 病 菌 感 染 性 疾 病 诊 断 专 家 系 统 MYCIN 青 光 眼 治 疗 专 家 系 统 CASNET 以 及 计 算 机 硬 件 故 障 诊 断 系 统 DART 等 都 是 典 型 的 诊 断 型 专 家 系 统 (3) 设 计 型 设 计 型 专 家 系 统 是 根 据 用 户 输 入 的 设 计 要 求 数 据, 求 解 出 满 足 设 计 要 求 的 目 标 配 置 方 案 的 一 类 专 家 系 统 这 类 系 统 主 要 特 点 是, 善 于 从 较 大 的 问 题 求 解 空 间 中, 搜 索 出 符 合 多 个 要 求 和 限 制 条 件 的 设 计 方 案 ; 它 能 够 对 被 设 计 问 题 的 各 部 分 及 其 它 们 之 间 的 关 系 进 行 分 析, 试 验 性 地 构 造 出 多 种 易 于 修 改 的 候 选 方 案, 并 能 对 最 终 的 设 计 结 果 给 出 适 当 的 解 释 凡 是 用 于 电 路 设 计 土 木 建 筑 工 程 设 计 机 械 产 品 设 计 生 产 工 艺 设 计 等 的 专 家 系 统 都 属 于 这 一 类 例 如, 超 大 规 模 集 成 电 路 辅 助 设 计 系 统 KBVLSI 自 动 程 序 设 计 系 统 PSI 等 都 是 典 型 的 设 计 型 专 家 系 统 (4) 预 测 型 预 测 型 专 家 系 统 是 通 过 对 过 去 知 识 以 及 当 前 的 事 实 与 数 据 进 行 分 析, 推 断 未 来 情 况 的 一 类 专 家 系 统 该 类 系 统 的 特 点 是, 具 有 处 理 基 于 时 间 变 化 的 动 态 数 据 的 能 力, 能 够 从 当 前

14 286 第 八 章 专 家 系 统 的 一 些 不 完 全 和 不 准 确 的 信 息 或 数 据 中, 依 据 知 识 库 中 已 有 的 知 识 对 未 来 的 情 况 做 出 预 报 凡 是 用 于 气 象 预 报 地 震 预 报 市 场 预 测 人 口 预 测 交 通 预 测 经 济 预 测 和 作 物 产 量 预 测 等 的 专 家 系 统, 都 属 于 这 一 类 例 如, 大 豆 病 虫 害 预 测 系 统 PLANT/ds 和 军 事 冲 突 预 测 系 统 I&W 等 就 是 典 型 的 预 测 型 专 家 系 统 (5) 规 划 型 规 划 型 专 家 系 统 是 根 据 给 定 的 规 划 目 标 数 据, 制 定 出 某 个 能 够 达 到 目 标 的 动 作 规 划 或 行 动 步 骤 的 一 类 专 家 系 统 它 的 主 要 特 点 是, 对 于 一 些 比 较 复 杂 的 被 求 解 问 题, 其 所 要 实 现 的 目 标 可 能 是 动 态 的, 进 而 系 统 给 出 的 相 应 动 作 规 划 或 行 动 步 骤 也 必 须 是 动 态 的, 这 就 要 求 系 统 必 须 具 有 处 理 这 种 动 态 规 划 的 能 力, 并 通 过 试 验 性 动 作 对 得 出 的 规 划 方 案 进 行 验 证 凡 是 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 施 肥 方 案 规 划 等 的 专 家 系 统 都 属 于 这 一 类 例 如, 制 定 最 佳 行 车 路 线 的 CARG 系 统 制 定 宇 航 员 空 间 活 动 路 线 的 KNEECAP 系 统 都 是 典 型 的 规 划 型 专 家 系 统 (6) 监 视 型 监 视 型 专 家 系 统 是 一 类 用 于 对 被 检 控 对 象 进 行 实 时 地 不 断 地 观 察, 并 能 对 观 察 到 情 况 及 时 做 出 适 当 反 应 的 专 家 系 统 这 类 系 统 的 特 点 是 能 够 根 据 时 间 和 环 境 的 变 化, 动 态 地 处 理 所 观 察 到 的 被 检 测 对 象 的 变 化 信 息, 并 根 据 设 置 的 报 警 阈 值, 及 时 快 速 地 对 系 统 的 一 些 不 正 常 情 况 发 出 警 报, 且 一 般 不 能 有 误 报 的 情 况 发 生, 这 就 要 求 系 统 在 对 输 入 数 据 进 行 鉴 别 分 析 和 处 理 时 具 有 较 高 的 精 度 例 如, 高 危 病 人 监 护 核 电 站 的 安 全 监 视 防 空 监 视 与 报 警 国 家 财 政 的 监 控 及 农 作 物 病 虫 害 的 监 视 与 报 警 等 方 面 的 专 家 系 统 都 属 于 这 一 类 (7) 控 制 型 控 制 型 专 家 系 统 是 用 来 对 一 个 受 控 对 象 或 客 体 的 行 为 进 行 适 当 的 调 节 与 管 理, 以 使 其 满 足 预 期 要 求 的 一 类 专 家 系 统 它 的 主 要 特 点 是 能 够 对 被 控 制 的 对 象 进 行 实 时 检 测, 并 对 当 前 的 状 况 做 出 适 当 解 释, 进 而 预 测 可 能 要 发 生 的 情 况, 当 根 据 分 析 发 现 被 控 对 象 即 将 出 现 异 动 时, 就 要 对 被 控 对 象 的 行 为 进 行 调 节, 以 使 之 能 够 朝 着 预 定 的 目 标 发 展 该 类 系 统 可 用 于 空 中 交 通 管 制 商 业 管 理 自 主 机 器 人 控 制 作 战 管 理 生 产 过 程 控 制 和 生 产 质 量 控 制 等 许 多 方 面 (8) 调 试 型 调 试 型 专 家 系 统 是 对 失 灵 的 对 象 制 定 出 排 除 故 障 的 规 划 并 实 施 排 除 的 一 类 专 家 系 统 其 主 要 特 点 是 能 根 据 相 应 的 标 准 检 测 被 调 试 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 法, 排 除 错 误 调 试 型 专 家 系 统 可 用 于 新 产 品 或 新 系 统 的 调 试, 也 可 用 于 被 维 修 设 备 的 调 整 测 试 与 试 验 例 如, 计 算 机 系 统 的 辅 助 调 试 系 统 TIMM/ TUNER 就 是 一 个 典 型 的 调 试 型 专 家 系 统 (9) 教 学 型

15 8.1 专 家 系 统 概 述 287 教 学 型 专 家 系 统 是 一 类 可 根 据 学 生 学 习 的 特 点, 制 定 适 当 的 教 学 计 划 和 教 学 方 法, 以 对 学 生 进 行 教 学 和 辅 导 的 专 家 系 统 其 主 要 特 点 是 有 针 对 性 地 制 定 教 学 计 划, 并 采 用 适 当 的 学 习 方 法 对 学 生 进 行 辅 导 这 种 类 型 的 专 家 系 统 一 般 具 有 良 好 的 人 - 机 界 面 (10) 修 理 型 修 理 型 专 家 系 统 是 对 发 生 故 障 的 系 统 或 设 备 进 行 处 理, 使 其 恢 复 正 常 工 作 的 一 类 专 家 系 统 这 类 型 专 家 系 统 的 特 点 是 同 时 具 有 故 障 诊 断 系 统 调 试 和 故 障 排 除 等 功 能, 它 能 根 据 失 灵 对 象 的 特 点 制 定 出 纠 错 方 案, 并 能 实 施 该 方 案 对 故 障 进 行 排 除, 当 所 制 定 的 方 案 失 效 或 部 分 失 效 时, 能 自 动 产 生 一 些 相 应 的 补 救 措 施 例 如, 电 话 电 缆 维 护 系 统 ACE 就 是 一 个 典 型 的 修 理 型 专 家 系 统 除 了 以 上 这 10 种 类 型 的 专 家 系 统 外, 决 策 型 和 管 理 型 的 专 家 系 统 也 是 近 年 来 颇 受 人 们 重 视 的 两 类 专 家 系 统 决 策 型 专 家 系 统 的 功 能 是 对 各 种 可 能 的 决 策 方 案 进 行 综 合 评 判 和 选 优, 以 便 为 相 应 领 域 中 的 问 题 做 出 辅 助 决 策 和 对 所 做 决 策 给 出 相 应 的 解 释 它 的 特 点 是 能 够 对 各 种 方 案 进 行 分 析 解 释, 并 预 测 它 们 的 执 行 结 果 例 如, 资 本 管 理 专 家 系 统 Capital ExpertSystem 就 是 典 型 的 决 策 型 专 家 系 统 管 理 型 专 家 系 统 是 在 管 理 信 息 系 统 和 办 公 自 动 化 系 统 的 基 础 上 发 展 起 来 的 一 类 专 家 系 统, 它 的 目 标 是 应 用 人 工 智 能 技 术 实 现 优 质 高 效 的 管 理 2. 按 系 统 的 体 系 结 构 分 类 按 照 系 统 的 体 系 结 构, 专 家 系 统 可 分 为 4 种 类 型 (1) 集 中 式 专 家 系 统 这 是 一 类 对 知 识 及 推 理 进 行 集 中 管 理 的 专 家 系 统 目 前 大 多 数 成 功 应 用 的 专 家 系 统 都 属 于 这 一 类 型 对 于 集 中 式 专 家 系 统, 又 可 根 据 系 统 知 识 库 与 推 理 机 构 的 组 织 方 式, 细 分 为 层 次 式 结 构 深 - 浅 双 层 结 构 多 层 聚 焦 结 构 及 黑 板 结 构 等 专 家 系 统 层 次 式 结 构 专 家 系 统 是 指 其 推 理 机 构 为 多 层 机 制, 推 理 方 式 采 用 逐 层 推 理 的 专 家 系 统 例 如, 青 光 眼 诊 断 专 家 系 统 CASNET 就 是 一 个 层 次 式 结 构 的 专 家 系 统, 其 推 理 模 型 由 症 状 层 病 变 层 及 诊 断 层 三 个 层 次 构 成, 在 诊 断 病 人 时, 由 症 状 层 可 推 出 是 何 种 病 变, 再 由 病 变 层 推 理 出 是 何 种 类 型 的 青 光 眼 深 - 浅 双 层 结 构 专 家 系 统 是 指 系 统 的 知 识 库 由 两 个 子 知 识 库 构 成, 其 中 一 个 称 为 深 层 知 识 库, 用 于 存 放 问 题 领 域 内 的 原 理 性 知 识, 另 一 个 称 为 浅 层 知 识 库, 用 于 存 放 领 域 专 家 的 经 验 知 识 与 两 个 子 知 识 库 相 对 应 地 有 两 个 推 理 机 分 别 作 用 于 这 两 个 不 同 层 次 的 知 识 库 为 了 协 调 两 个 推 理 机 同 时 工 作, 应 该 在 它 们 之 上 建 立 一 个 控 制 机 构 进 行 统 一 的 管 理 多 层 聚 焦 结 构 专 家 系 统 是 指 知 识 库 中 的 知 识 按 动 态 分 层 组 织 的 形 式 进 行 管 理 这 种 管 理 方 式 把 对 当 前 推 理 最 有 用 最 有 希 望 推 出 结 论 的 知 识 称 为 焦 点, 并 把 它 置 于 聚 焦 结 构 的 最 上 层, 把 有 希 望 入 选 的 知 识 放 在 第 二 层, 以 此 类 推, 并 且 每 个 知 识 元 所 在 的 层 次 是 随 着 推

16 288 第 八 章 专 家 系 统 理 的 进 行 在 不 断 的 动 态 变 化 的 黑 板 结 构 类 型 的 专 家 系 统 一 般 用 于 求 解 比 较 复 杂 的 问 题, 通 常 具 有 多 个 知 识 库 和 多 个 推 理 机, 在 求 解 问 题 时, 通 过 一 个 称 为 黑 板 的 结 构 化 公 共 数 据 区 实 现 各 推 理 机 和 知 识 库 间 的 信 息 交 换 (2) 分 布 式 专 家 系 统 分 布 式 专 家 系 统 是 指 将 知 识 库 或 / 和 推 理 机 分 布 在 一 个 计 算 机 网 络 上 的 一 类 专 家 系 统 这 种 专 家 系 统 的 主 要 特 点 是, 系 统 中 的 知 识 库 及 推 理 机 在 逻 辑 和 物 理 上 都 采 用 一 种 分 布 结 构, 其 各 机 构 间 通 过 计 算 机 网 络 实 现 互 连, 并 在 求 解 问 题 的 过 程 中, 相 互 通 信 相 互 协 作 它 具 有 较 强 的 问 题 求 解 能 力, 对 于 比 较 复 杂 的 问 题, 它 可 以 实 现 分 而 解 之, 并 在 求 解 后 将 各 个 子 问 题 的 解 综 合 为 原 问 题 的 解, 对 那 些 单 个 机 构 难 以 解 决 甚 至 不 能 解 决 的 问 题 它 都 可 以 实 现 求 解 (3) 神 经 网 络 专 家 系 统 这 一 类 型 的 专 家 系 统 采 用 人 工 神 经 网 络 技 术 进 行 建 造, 以 神 经 网 络 为 体 系 结 构 实 现 知 识 表 示 和 求 解 推 理 它 不 同 于 传 统 的 基 于 符 号 系 统 表 示 的 专 家 系 统, 而 采 用 基 于 神 经 元 而 构 成 的 网 络, 实 现 知 识 的 表 示 与 推 理 这 种 类 型 的 专 家 系 统 目 前 尚 处 于 研 究 阶 段 (4) 符 号 系 统 与 神 经 网 络 相 结 合 的 专 家 系 统 这 种 类 型 的 专 家 系 统 是 一 种 混 合 型 专 家 系 统, 它 将 神 经 网 络 与 符 号 处 理 系 统 有 机 结 合 起 来 应 用 于 专 家 系 统 的 知 识 表 示 与 推 理 求 解 针 对 不 同 的 应 用 领 域, 神 经 网 络 与 符 号 系 统 可 以 多 种 方 式 进 行 结 合, 以 便 充 分 发 挥 它 们 各 自 优 点, 克 服 它 们 的 缺 点, 实 现 优 势 互 补 比 如, 可 以 利 用 神 经 网 络 具 有 较 强 的 学 习 能 力 的 特 点, 实 现 系 统 的 知 识 自 动 获 取, 而 系 统 的 推 理 过 程 仍 由 符 号 处 理 机 制 实 现 当 然, 也 可 以 采 用 别 的 结 合 方 式 来 构 造 专 家 系 统 除 了 按 专 家 系 统 处 理 问 题 的 类 型 和 系 统 的 体 系 结 构 分 类 以 外, 还 可 以 从 其 他 角 度 对 专 家 系 统 进 行 分 类 例 如, 可 以 按 求 解 问 题 的 要 求 进 行 分 类, 也 可 以 按 推 理 方 向 进 行 分 类, 还 可 以 按 知 识 表 示 技 术 和 应 用 领 域 进 行 分 类, 等 等 专 家 系 统 的 一 般 特 点 前 面 已 经 介 绍 了 各 种 不 同 类 型 的 专 家 系 统, 以 及 它 们 各 自 的 特 点 除 此 之 外, 在 总 体 上, 专 家 系 统 还 具 有 以 下 一 些 共 同 特 点 : (1) 启 发 性 专 家 系 统 能 够 运 用 专 家 的 知 识 和 经 验 进 行 推 理 判 断 与 决 策 (2) 透 明 性 专 家 系 统 能 够 解 释 本 身 的 推 理 过 程 或 行 为, 并 回 答 用 户 提 出 的 问 题, 使 用 户 能 够 理 解 它

17 8.1 专 家 系 统 概 述 289 的 推 理 过 程, 提 高 用 户 对 系 统 的 信 任 度, 增 加 系 统 的 透 明 度 (3) 灵 活 性 一 般 专 家 系 统 的 体 系 结 构 都 采 用 了 知 识 库 与 推 理 机 相 分 离 的 构 造 原 则, 彼 此 既 有 联 系, 又 相 互 独 立 当 对 知 识 库 进 行 增 删 修 改 或 更 新 时, 灵 活 方 便, 对 推 理 程 序 不 会 造 成 大 的 影 响 甚 至 可 以 将 某 个 技 术 上 成 熟 的 专 家 系 统 中 的 知 识 库 抽 去, 使 其 变 为 一 个 专 家 系 统 建 造 工 具, 用 于 建 造 不 同 应 用 领 域 的 专 家 系 统 (4) 交 互 性 专 家 系 统 一 般 都 是 交 互 式 系 统, 这 种 交 互 性 既 有 利 于 系 统 从 专 家 那 里 获 取 知 识, 又 便 于 用 户 在 求 解 问 题 时 输 入 条 件 或 事 实 (5) 推 理 有 效 性 专 家 系 统 能 高 效 稳 定 高 速 地 工 作 不 会 像 人 类 专 家 那 样 产 生 疲 劳 和 不 稳 定 不 同 的 专 家 系 统 所 面 向 的 领 域 不 同, 可 以 解 决 不 同 的 问 题, 因 此 在 设 计 专 家 系 统 时, 针 对 不 同 领 域 问 题 的 特 点, 选 择 不 同 的 推 理 机 制, 从 而 保 证 问 题 求 解 过 程 中 的 推 理 有 效 性 (6) 复 杂 性 人 类 的 知 识 丰 富 多 彩, 思 维 方 式 多 种 多 样, 要 想 使 计 算 机 完 全 模 拟 人 类 的 思 维 方 法 去 解 决 问 题, 还 是 一 件 非 常 复 杂 和 困 难 的 工 作 因 此, 在 建 造 专 家 系 统 时, 如 何 实 现 对 不 确 定 知 识 的 表 示, 如 何 构 造 不 确 定 性 的 传 递 算 法 和 匹 配 算 法 以 实 现 推 理 计 算, 其 复 杂 性 和 难 度 都 是 比 较 大 的 (7) 实 用 性 专 家 系 统 是 根 据 问 题 的 实 际 需 求 开 发 的, 因 而 具 有 坚 实 的 应 用 背 景 由 于 专 家 系 统 中 储 存 了 相 关 领 域 许 多 高 水 平 专 家 的 知 识, 所 以 它 具 有 解 决 问 题 的 高 水 平 和 高 效 率, 从 而 可 以 产 生 巨 大 的 社 会 效 益 和 经 济 效 益, 具 有 非 常 良 好 的 实 用 性 (8) 知 识 的 专 门 性 专 家 系 统 的 知 识 都 具 有 专 门 性, 但 只 局 限 于 所 面 向 的 领 域, 针 对 性 很 强 这 与 人 类 专 家 类 似, 因 为 人 类 专 家 也 只 是 具 有 某 一 方 面 的 高 深 知 识, 否 则 也 就 不 成 其 为 专 家 (9) 易 推 广 性 专 家 系 统 使 人 类 专 家 的 领 域 知 识 突 破 了 时 间 和 空 间 的 限 制, 专 家 系 统 程 序 可 永 久 保 存, 并 可 复 制 任 意 多 的 副 本 或 在 网 上 供 不 同 地 区 或 不 同 部 门 的 人 们 使 用 从 而 使 专 家 的 知 识 和 技 能 更 易 于 推 广 和 传 播

18 290 第 八 章 专 家 系 统 8.2 专 家 系 统 的 基 本 结 构 在 建 造 专 家 系 统 时, 首 先 要 考 虑 的 是 专 家 系 统 的 结 构 问 题, 即 根 据 用 户 提 出 的 要 求 和 性 能, 所 要 建 造 的 系 统 应 由 几 个 部 分 构 成, 各 部 分 之 间 的 关 系 如 何, 如 何 对 它 们 进 行 组 织 连 接, 等 等 不 同 类 型 的 专 家 系 统, 其 功 能 和 系 统 结 构 也 都 不 尽 相 同, 选 择 恰 当 的 系 统 结 构, 对 专 家 系 统 的 有 效 性 与 适 应 性 有 着 很 大 的 影 响 系 统 开 发 人 员 可 以 根 据 用 户 的 要 求 以 及 自 己 所 具 备 的 软 硬 件 环 境 决 定 选 择 什 么 样 的 系 统 结 构 我 们 这 里 要 讨 论 的 是, 通 常 情 况 下 专 家 系 统 的 最 基 本 结 构 一 个 最 基 本 的 专 家 系 统 应 由 六 个 部 分 组 成, 包 括 综 合 数 据 库 及 其 管 理 系 统 知 识 库 及 其 管 理 系 统 推 理 机 解 释 器 知 识 获 取 机 构 和 人 - 机 接 口 等, 它 们 之 间 的 结 构 组 织 关 系 如 图 8.1 所 示 图 8.1 专 家 系 统 的 基 本 结 构 综 合 数 据 库 及 其 管 理 系 统 综 合 数 据 库 简 称 数 据 库, 用 来 存 储 有 关 领 域 问 题 的 初 始 事 实 问 题 描 述 以 及 系 统 推 理 过 程 中 得 到 的 各 种 中 间 状 态 或 结 果 等, 系 统 的 目 标 结 果 也 存 于 其 中 数 据 库 相 当 于 专 家 系 统 的 工 作 存 储 器, 其 规 模 和 结 构 可 根 据 系 统 目 的 的 不 同 而 不 同, 在 系 统 推 理 过 程 中, 数 据 库 的 内 容 是 动 态 变 化 的 在 求 解 问 题 开 始 时, 它 存 放 的 是 用 户 提 供 的 初 始 事 实 和 对 问 题 的 基 本 描 述 ; 在 推 理 过 程 中, 它 又 把 推 理 过 程 所 得 到 的 中 间 结 果 存 入 其 中 ; 推 理 机 将 数 据 库 中 的 数 据 作 为 匹 配 条 件 去 知 识 库 中 选 择 合 适 的 知 识 ( 规 则 ) 进 行 推 理, 再 把 推 理 的 结 果 存 入 数 据 库 中 ; 这 样 循 环 往 复, 继 续 推 理, 直 到 得 到 目 标 结 果 例 如, 在 医 疗 专 家 系 统 中, 数 据 库 存 放 的 是 当 前 患 者 的 情 况, 如 姓 名 年 龄 基 本 症 状 等 以 及 推 理 过 程 中 得 到 的 一 些 中 间 结 果, 如 引 起 症 状 的 一 些 病 因 等 综 合 数 据 库 是 推 理 过 程 不 可 缺 少 的 一 块 重 要 工 作 区 域, 其 中 的 数 据 不

19 8.2 专 家 系 统 的 基 本 结 构 291 但 是 推 理 机 进 行 推 理 的 依 据, 而 且 也 是 解 释 器 为 用 户 提 供 推 理 结 果 解 释 的 依 据 所 以, 它 是 专 家 系 统 不 可 缺 少 的 重 要 组 成 部 分 对 数 据 库 的 管 理 由 其 管 理 系 统 来 完 成, 它 负 责 对 数 据 库 中 的 数 据 进 行 增 删 改 以 及 维 护 等 工 作, 以 保 证 数 据 表 示 方 法 与 知 识 表 示 方 法 的 一 致 性 知 识 库 及 其 管 理 系 统 知 识 库 是 专 家 系 统 的 知 识 存 储 器, 用 来 存 放 被 求 解 问 题 的 相 关 领 域 内 的 原 理 性 知 识 或 一 些 相 关 的 事 实 以 及 专 家 的 经 验 性 知 识 原 理 性 或 事 实 性 知 识 是 一 种 广 泛 公 认 的 知 识, 即 书 本 知 识 和 常 识, 而 专 家 的 经 验 知 识 则 是 长 期 的 实 践 结 晶 知 识 库 建 立 的 关 键 是 要 解 决 知 识 的 获 取 和 知 识 的 表 示 问 题 知 识 获 取 是 专 家 系 统 开 发 中 的 一 个 重 要 任 务, 它 要 求 知 识 工 程 师 要 十 分 认 真 细 致 地 对 专 家 经 验 知 识 进 行 深 入 分 析, 研 究 提 取 方 法 知 识 的 表 示 则 要 解 决 如 何 用 计 算 机 能 够 理 解 的 形 式 表 达 编 码 和 存 储 知 识 的 问 题 目 前, 专 家 系 统 中 的 知 识 提 取 是 由 知 识 获 取 机 构 辅 助 人 工 来 完 成, 当 把 所 获 取 的 知 识 放 于 知 识 库 中 后, 推 理 机 在 求 解 问 题 时 就 可 以 到 知 识 库 中 搜 索 所 需 的 知 识 所 以, 知 识 库 与 推 理 机 知 识 库 与 知 识 获 取 机 构 都 有 着 密 切 的 关 系 知 识 库 管 理 系 统 实 现 对 知 识 库 中 知 识 的 合 理 组 织 和 有 效 管 理, 并 能 根 据 推 理 过 程 的 需 求 去 搜 索 运 用 知 识 和 对 知 识 库 中 的 知 识 做 出 正 确 的 解 释 ; 它 还 负 责 对 知 识 库 进 行 维 护, 以 保 证 知 识 库 的 一 致 性 完 备 性 相 容 性 等 知 识 获 取 机 构 知 识 获 取 机 构 是 专 家 系 统 中 的 一 个 重 要 部 分, 它 负 责 系 统 的 知 识 获 取, 由 一 组 程 序 组 成 其 基 本 任 务 是 从 知 识 工 程 师 那 里 获 得 知 识 或 从 训 练 数 据 中 自 动 获 取 知 识, 并 把 得 到 的 知 识 送 入 知 识 库 中, 并 确 保 知 识 的 一 致 性 及 完 整 性 不 同 专 家 系 统 中 其 知 识 获 取 机 构 的 功 能 和 实 现 方 法 也 不 同, 有 些 系 统 的 知 识 获 取 机 构 自 动 化 功 能 较 弱, 需 要 通 过 知 识 工 程 师 向 领 域 专 家 获 取 知 识, 再 通 过 相 应 的 知 识 编 辑 软 件 把 获 得 的 知 识 送 到 知 识 库 中 ; 有 些 系 统 自 身 就 具 有 部 分 学 习 功 能, 由 系 统 直 接 与 领 域 专 家 对 话 获 取 知 识 以 辅 助 知 识 工 程 师 进 行 知 识 库 的 建 设, 也 可 为 修 改 知 识 库 中 的 原 有 知 识 和 扩 充 新 知 识 提 供 相 应 手 段 ; 有 的 系 统 具 有 较 强 的 机 器 自 动 学 习 功 能, 系 统 可 通 过 一 些 训 练 数 据 或 在 实 际 运 行 过 程 中, 通 过 各 种 机 器 学 习 方 法, 如 关 联 分 析 数 据 挖 掘 等, 获 得 新 的 知 识 无 论 采 取 哪 种 方 式, 知 识 获 取 都 是 目 前 专 家 系 统 研 制 中 的 一 个 重 要 问 题 有 关 知 识 获 取 问 题, 将 在 下 一 节 专 门 讨 论

20 292 第 八 章 专 家 系 统 推 理 机 推 理 机 是 专 家 系 统 在 解 决 问 题 时 的 思 维 推 理 核 心, 它 是 一 组 程 序, 用 以 模 拟 领 域 专 家 思 维 过 程, 以 使 整 个 专 家 系 统 能 够 以 逻 辑 方 式 进 行 问 题 求 解 它 能 够 依 据 综 合 数 据 库 中 的 当 前 数 据 或 事 实, 按 照 一 定 的 策 略 从 知 识 库 中 选 择 所 需 的 启 用 知 识, 并 依 据 该 知 识 对 当 前 的 问 题 进 行 求 解, 它 还 能 判 断 输 入 综 合 数 据 库 的 事 实 和 数 据 是 否 合 理, 并 为 用 户 提 供 推 理 结 果 在 设 计 推 理 机 时, 必 须 要 使 程 序 求 解 问 题 的 推 理 过 程 符 合 领 域 专 家 解 决 问 题 时 的 思 维 过 程 所 采 用 的 推 理 方 式 可 以 是 正 向 推 理 反 向 推 理 或 双 向 混 合 推 理, 推 理 过 程 可 以 是 确 定 性 推 理 或 不 确 定 性 推 理, 可 根 据 具 体 情 况 确 定 解 释 器 解 释 器 是 与 人 - 机 接 口 相 连 的 部 件, 它 负 责 对 专 家 系 统 的 行 为 进 行 解 释, 并 通 过 人 - 机 接 口 界 面 提 供 给 用 户 它 实 际 也 是 一 组 程 序, 其 主 要 功 能 是 对 系 统 的 推 理 过 程 进 行 跟 踪 和 记 录, 回 答 用 户 的 提 问, 使 用 户 能 够 了 解 推 理 的 过 程 及 所 运 用 的 知 识 和 数 据, 并 负 责 解 释 系 统 本 身 的 推 理 结 果 其 采 用 的 形 式 往 往 包 括 系 统 提 示 人 - 机 对 话 等 例 如, 回 答 用 户 提 出 的 为 什 么?, 给 用 户 说 明 结 论 是 如 何 得 出 的? 等 解 释 器 是 专 家 系 统 不 可 缺 少 的 部 分, 它 可 以 使 用 户 了 解 系 统 的 推 理 情 况, 也 可 以 帮 助 系 统 建 造 者 发 现 系 统 存 在 的 问 题, 从 而 帮 助 建 造 者 进 一 步 对 系 统 进 行 完 善 在 设 计 解 释 器 时, 一 般 要 考 虑 在 系 统 运 行 过 程 中, 用 户 可 能 会 提 出 哪 些 问 题, 如 何 对 这 些 问 题 进 行 回 答, 以 便 在 程 序 中 加 以 实 现 解 释 器 与 人 - 机 界 面 的 连 接 与 交 互 方 法 也 是 设 计 解 释 器 时 必 须 要 考 虑 的 人 - 机 接 口 人 - 机 接 口 是 专 家 系 统 的 另 一 个 关 键 组 成 部 分, 它 是 专 家 系 统 与 外 界 进 行 通 讯 与 交 互 的 桥 梁, 由 一 组 程 序 与 相 应 的 硬 件 组 成 领 域 专 家 或 知 识 工 程 师 通 过 人 - 机 接 口 可 以 实 现 知 识 的 输 入 与 更 改, 并 可 实 现 知 识 库 的 日 常 维 护 ; 而 最 终 用 户 则 可 通 过 人 - 机 接 口 输 入 要 求 解 的 问 题 描 述 已 知 事 实 以 及 所 关 心 的 问 题 ; 系 统 则 可 通 过 人 - 机 接 口 输 出 推 理 结 果 回 答 用 户 提 出 的 问 题 或 者 向 用 户 索 要 进 一 步 求 解 问 题 所 需 的 数 据 在 设 计 人 - 机 接 口 时, 不 同 的 专 家 系 统 可 能 会 因 为 硬 件 和 软 件 环 境 的 差 异 而 不 同, 但 有 一 点 是 必 须 要 注 意 的, 即 所 设 计 的 人 - 机 接 口 应 尽 可 能 地 人 性 化, 使 其 能 尽 可 能 地 具 有 处 理

21 8.3 知 识 获 取 293 自 然 语 言 的 能 力, 具 有 处 理 多 媒 体 信 息 的 能 力, 因 为 专 家 系 统 的 大 多 数 最 终 用 户 和 领 域 专 家 都 不 是 计 算 机 专 业 人 员 8.3 知 识 获 取 前 面 已 经 指 出, 知 识 获 取 是 专 家 系 统 建 造 中 的 关 键, 是 一 个 与 知 识 工 程 师 领 域 专 家 以 及 专 家 系 统 自 身 都 密 切 相 关 的 复 杂 问 题, 也 一 直 是 专 家 系 统 开 发 中 的 一 个 瓶 颈 问 题 知 识 的 自 动 获 取 是 多 年 来 人 们 所 期 望 的, 但 尽 管 在 这 方 面 做 了 大 量 的 研 究 工 作, 但 至 今 仍 没 有 得 到 很 好 的 解 决, 利 用 手 工 或 机 器 辅 助 的 半 自 动 知 识 获 取, 仍 是 目 前 大 多 数 智 能 系 统 的 知 识 获 取 方 式, 利 用 机 器 实 现 知 识 自 动 获 取 的 努 力, 还 需 解 决 许 多 理 论 和 技 术 的 问 题 后 方 能 变 为 现 实 本 节 我 们 将 就 知 识 获 取 的 任 务 以 及 知 识 获 取 的 主 要 途 径 做 比 较 详 细 的 介 绍 知 识 获 取 的 任 务 知 识 获 取 的 基 本 任 务 是 利 用 某 种 手 段, 从 知 识 源 中 获 取 专 家 系 统 实 现 问 题 求 解 所 需 要 的 专 门 知 识, 并 以 某 种 形 式 在 计 算 机 中 存 储, 以 建 立 起 健 全 完 善 有 效 的 知 识 库, 满 足 领 域 问 题 求 解 的 需 求 一 般 包 括 知 识 抽 取 表 示 输 入 和 检 测 等 几 项 工 作 1. 知 识 的 抽 取 知 识 抽 取 是 指 把 蕴 含 于 多 个 知 识 源 中 的 知 识 经 过 分 析 识 别 理 解 遴 选 归 纳 等 处 理 后 抽 取 出 来, 以 便 用 于 知 识 库 的 建 立 知 识 源 是 指 专 家 系 统 知 识 的 来 源, 包 括 领 域 专 家 技 术 报 告 课 本 教 材 相 关 论 文 实 例 研 究 经 验 数 据 及 系 统 本 身 的 运 行 实 践 等 知 识 抽 取 的 难 点 在 于 对 知 识 源 中 的 数 据 进 行 处 理, 因 为 知 识 并 不 是 以 某 种 现 成 的 形 式 存 在 于 知 识 源 中 的, 只 有 对 知 识 源 中 的 数 据 经 过 分 析 识 别 理 解 关 联 等 一 系 列 处 理 之 后, 才 能 发 现 其 中 有 用 的 知 识 而 这 种 数 据 处 理 往 往 又 因 为 知 识 源 中 数 据 形 式 的 不 同 而 呈 现 不 同 的 难 度 例 如, 对 领 域 专 家 解 决 某 一 领 域 中 的 各 种 困 难 问 题 的 经 验 来 说, 有 些 是 只 可 意 会 不 可 言 传 的, 对 这 样 的 知 识 源, 别 说 让 计 算 机 自 动 抽 提 知 识, 就 是 由 知 识 工 程 师 进 行 人 工 获 取 也 是 比 较 困 难 的, 因 为 专 家 本 身 就 无 法 用 语 言 将 其 表 达 出 来 对 一 些 蕴 含 于 数 据 库 或 文 本 数 据 中 的 知 识, 尽 管 具 有 显 式 的 数 据 表 达 形 式, 但 目 前 的 机 器 学 习 技 术 还 不 足 以 实 现 自 动 获 取 目 前 的 知 识 抽 取 还 是 以 手 工 或 由 机 器 辅 助 的 手 工 获 取 为 主 例 如, 在 获 取 领 域 专 家 的 经 验 时, 就 要 求 知 识 工 程 师 与 专 家 进 行 直 接 交 流, 深 入 讨 论, 甚 至 参 与 到 领 域 专 家 现 场 解 决 问 题 的 过 程 当 中, 这 种 交 流 讨 论 可 能 需 要 很 长 时 间, 直 到 知 识 工 程 师 认 为 他 领 会 理 解 了 专 家 的 经 验, 然 后 再 由 他 对 这 些 经 验 进 行 数 学 分 析, 建 立 数 学 模 型, 以 适 当 的 知 识 表 示 形 式 表

22 294 第 八 章 专 家 系 统 示 出 来, 送 入 计 算 机 知 识 获 取 的 理 想 方 法 当 然 是 由 机 器 自 动 获 取, 尽 管 有 很 多 从 事 人 工 智 能 研 究 的 人 们, 在 这 方 面 进 行 了 大 量 的 研 究, 然 而 目 前 的 机 器 学 习 技 术 还 远 没 有 成 熟, 它 只 能 作 为 一 种 手 段 来 辅 助 知 识 工 程 师 构 建 相 关 领 域 的 知 识 库 如 果 要 求 专 家 系 统 本 身 能 够 在 运 行 实 践 中 从 已 有 知 识 或 实 例 中 演 绎 归 纳 出 新 知 识, 进 而 实 现 对 知 识 库 的 自 我 更 新 和 完 善, 则 必 须 要 让 系 统 自 身 具 有 一 定 的 学 习 能 力, 也 就 是 说, 必 须 要 对 机 器 学 习 的 相 关 理 论 和 技 术 进 行 更 加 深 入 的 研 究 2. 知 识 的 表 示 知 识 源 中 的 知 识 通 常 是 以 自 然 语 言 图 形 表 格 等 形 式 表 示 的, 而 专 家 系 统 中 所 涉 及 的 知 识 库 中 的 知 识 则 是 以 计 算 机 能 够 识 别 和 运 用 的 形 式 来 表 示 的, 因 此, 在 建 立 知 识 库 时, 必 须 要 将 知 识 源 中 的 知 识 转 换 为 计 算 机 能 够 识 别 或 运 用 的 形 式 这 种 转 换 通 常 先 由 知 识 工 程 对 知 识 源 中 的 知 识 进 行 分 析 和 抽 象, 并 用 适 当 的 知 识 表 示 形 式 表 示 出 来, 然 后 再 把 这 种 知 识 表 示 形 式 通 过 某 种 编 译 程 序 翻 译 成 计 算 机 可 直 接 识 别 或 应 用 的 内 部 编 码 3. 知 识 的 输 入 知 识 输 入 就 是 要 把 经 过 知 识 工 程 师 从 知 识 源 获 取 的 以 某 种 表 示 形 式 表 示 的 知 识 经 过 在 计 算 机 上 编 辑 编 译 送 入 知 识 库 的 过 程 要 把 知 识 输 入 计 算 机, 目 前 一 般 有 两 条 途 径 : 一 条 是 利 用 计 算 机 系 统 附 带 的 应 用 编 辑 软 件 ; 另 一 条 是 利 用 专 门 编 制 的 人 工 智 能 知 识 编 辑 系 统 前 者 的 优 点 是 简 单 方 便, 无 须 编 制 专 门 程 序 即 可 直 接 使 用 ; 后 者 的 优 点 是 针 对 性 实 用 性 强, 更 符 合 知 识 输 入 的 要 求 4. 知 识 的 检 测 知 识 检 测 的 主 要 任 务 是 保 证 知 识 库 的 一 致 性 和 完 整 性 在 建 立 知 识 库 的 过 程 中, 抽 取 表 示 以 及 输 入 的 各 个 环 节 中, 无 论 哪 一 步 出 现 错 误, 都 会 直 接 影 响 知 识 库 中 知 识 的 正 确 性, 进 而 影 响 到 专 家 系 统 的 性 能 因 此, 对 知 识 库 检 测 的 目 的 就 是 希 望 尽 早 发 现 和 纠 正 可 能 出 现 的 错 误 知 识 获 取 主 要 途 径 知 识 获 取 的 途 径 可 以 有 多 种, 按 照 知 识 获 取 所 使 用 的 手 段, 可 将 知 识 获 取 分 为 人 工 获 取 半 自 动 化 获 取 和 自 动 化 获 取 三 种 方 式 1. 人 工 知 识 获 取 人 工 知 识 获 取 是 一 种 通 过 知 识 工 程 师 对 知 识 源 中 的 数 据 进 行 分 析 处 理, 以 获 取 知 识 的 一 种 途 径 通 常 由 知 识 工 程 师 直 接 从 领 域 专 家 的 经 验 中, 或 者 在 领 域 专 家 的 指 导 下 从 其 他

23 8.3 知 识 获 取 295 知 识 源 中 提 取 知 识, 然 后 对 获 取 的 知 识 以 某 种 合 适 的 知 识 表 示 形 式 送 入 知 识 库 中 知 识 工 程 师 是 这 样 一 类 人 员, 他 们 会 与 领 域 专 家 充 分 交 流, 又 能 从 领 域 专 家 或 其 他 知 识 源 中 获 得 专 家 系 统 所 需 要 的 知 识 他 们 首 先 与 领 域 专 家 进 行 交 谈, 了 解 他 们 解 决 问 题 的 方 法, 阅 读 有 关 文 献, 初 步 获 取 专 家 系 统 所 需 要 的 原 始 知 识 ; 然 后, 再 对 所 获 得 的 原 始 知 识 进 行 分 析 归 纳 整 理 总 结, 将 每 一 条 知 识 用 自 然 语 言 的 形 式 表 达 出 来, 并 交 由 领 域 专 家 审 查 经 反 复 交 流, 最 后 把 所 总 结 的 每 条 知 识 确 定 下 来 ; 最 后 再 将 确 定 的 每 条 知 识 用 适 当 的 知 识 表 示 方 法 ( 如 产 生 式 表 示 法 ) 表 示 出 来, 交 知 识 编 辑 器 进 行 编 辑 输 入 在 从 领 域 专 家 那 里 获 取 知 识 时 一 般 采 用 如 下 的 技 术 步 骤 : (1) 现 场 观 察 为 了 真 正 理 解 专 家 解 决 实 际 问 题 的 方 法, 尤 其 是 对 那 些 不 可 言 传 知 识 的 获 取, 知 识 工 程 师 应 该 到 领 域 专 家 工 作 的 现 场 对 专 家 解 决 实 际 问 题 的 过 程 进 行 观 察 这 种 观 察 只 是 一 种 被 动 的 观 察, 即 在 观 察 过 程 中, 不 能 干 预 专 家 的 工 作 程 序 只 有 这 样, 才 能 真 正 了 解 专 家 所 解 决 问 题 的 复 杂 性 以 及 专 家 解 决 问 题 的 客 观 有 效 的 方 法 (2) 问 题 讨 论 对 现 场 观 察 中 的 一 些 心 得 或 疑 问 以 及 一 些 有 代 表 性 的 问 题, 知 识 工 程 师 可 与 专 家 作 一 些 非 正 式 的 讨 论 其 目 的 在 于 了 解 专 家 在 解 决 每 个 问 题 时 是 如 何 思 考 的, 在 证 据 不 完 善 的 情 况 下 如 何 给 出 假 设 的, 对 具 有 不 确 定 性 的 证 据 和 知 识 是 如 何 运 用 和 处 理 的, 解 决 该 问 题 时 要 用 到 那 些 已 有 的 知 识, 等 等 在 问 题 讨 论 过 程 中, 领 域 专 家 可 能 会 引 入 一 些 新 概 念 或 新 术 语, 以 及 这 些 概 念 间 的 一 些 新 关 系 在 这 种 情 况 下, 知 识 工 程 师 可 要 求 领 域 专 家 对 这 些 新 概 念 或 新 术 语 给 出 明 确 的 定 义, 并 将 它 们 与 现 有 一 些 概 念 或 关 系 建 立 联 系 这 样, 知 识 工 程 师 就 会 对 现 场 观 察 过 程 中 的 工 作 过 程 具 有 深 入 的 了 解, 以 便 对 知 识 库 中 的 一 些 现 有 概 念 进 行 补 充 或 修 改 (3) 问 题 描 述 领 域 专 家 要 为 知 识 工 程 师 就 每 类 可 能 的 答 案 给 出 一 个 典 型 的 问 题 描 述, 以 便 知 识 工 程 师 能 对 每 类 答 案 定 义 一 个 原 型 问 题, 这 样, 就 可 确 定 所 建 造 的 专 家 系 统 能 够 求 解 哪 些 类 型 的 问 题, 同 时 也 为 专 家 系 统 有 层 次 的 组 织 知 识 提 供 了 启 发 (4) 问 题 分 析 知 识 工 程 师 在 观 察 领 域 专 家 解 答 一 系 列 问 题 的 过 程 中, 分 析 并 探 索 专 家 在 求 解 问 题 中 的 推 理 方 法 在 解 决 问 题 的 过 程 中, 专 家 可 一 边 工 作, 一 边 向 知 识 工 程 师 描 述 问 题 的 求 解 过 程, 并 尽 可 能 多 地 给 出 一 些 中 间 步 骤 对 于 解 题 过 程 中 的 每 一 步 骤, 如 果 有 不 清 楚 或 不 太 理 解 的 问 题, 知 识 工 程 师 可 以 提 出, 向 专 家 进 行 请 教, 在 充 分 了 解 了 解 决 实 际 问 题 的 过 程 以 后, 就 可 根 据 与 专 家 的 讨 论 结 果 和 自 己 的 分 析, 得 出 问 题 求 解 的 一 个 基 本 方 法 或 原 理, 为 描 述 知 识 做 好 准 备

24 296 第 八 章 专 家 系 统 (5) 建 造 原 型 系 统 知 识 工 程 师 在 与 领 域 专 家 充 分 接 触 交 流 之 后, 根 据 自 己 的 分 析 抽 象, 在 选 定 知 识 表 示 方 法 之 后, 即 可 着 手 建 立 系 统 所 需 要 的 实 验 子 集, 它 包 括 整 个 模 型 的 典 型 知 识, 而 且 只 涉 及 与 实 验 有 关 的 一 些 简 单 的 任 务 和 推 理 过 程 例 如, 可 先 由 领 域 专 家 给 出 一 些 简 单 问 题, 知 识 工 程 师 可 利 用 从 专 家 那 里 学 来 的 概 念 形 式 体 系 以 及 一 些 解 题 规 则 建 造 一 个 简 单 的 系 统 求 解 这 些 问 题, 以 便 对 从 领 域 专 家 那 里 得 来 的 知 识 做 快 速 检 验 (6) 系 统 检 查 建 立 原 型 系 统 以 后, 应 请 领 域 专 家 对 原 型 系 统 知 识 库 中 的 每 条 规 则 进 行 检 查 和 评 价, 并 对 规 则 的 选 择 策 略 和 冲 突 消 解 策 略 进 行 评 价 领 域 专 家 应 当 将 原 型 系 统 中 的 控 制 策 略 与 自 己 处 理 问 题 的 方 法 进 行 比 较, 对 原 型 系 统 中 的 一 些 概 念 知 识 或 推 理 规 则 进 行 调 整, 以 使 系 统 的 推 理 控 制 策 略 与 自 己 的 解 题 方 法 一 致 在 这 一 过 程 中, 专 家 对 自 己 的 某 些 不 可 言 传 的 解 题 方 法 也 是 一 种 抽 象 与 确 认 (7) 系 统 验 证 在 领 域 专 家 对 原 型 系 统 检 查 之 后, 知 识 工 程 师 可 把 经 过 该 专 家 确 认 的 原 型 系 统 与 求 解 问 题 的 情 况 交 给 其 他 专 家 进 行 验 证 这 就 提 供 了 一 条 比 较 不 同 专 家 解 题 策 略 的 途 径, 甚 至 可 以 对 完 善 目 前 的 专 家 系 统 提 供 帮 助 综 上 所 述, 知 识 工 程 师 在 人 工 获 取 知 识 的 过 程 中 起 着 非 常 重 要 的 作 用, 他 们 不 但 善 于 与 领 域 专 家 交 流, 而 且 具 有 非 常 强 的 抽 象 思 辨 能 力 和 逻 辑 表 达 能 力, 还 具 有 良 好 的 计 算 机 编 程 能 力 在 实 际 专 家 系 统 的 建 造 中, 知 识 工 程 师 的 大 多 数 工 作 是 由 专 家 系 统 的 设 计 及 建 造 者 担 任 的 2. 半 自 动 化 知 识 获 取 半 自 动 化 知 识 获 取 是 指 在 人 工 知 识 获 取 的 基 础 上 增 加 了 部 分 机 器 学 习 功 能, 使 专 家 系 统 本 身 能 够 从 大 量 的 实 例 中 归 纳 出 某 些 知 识 由 于 它 不 是 纯 粹 的 人 工 知 识 获 取, 又 不 是 完 全 的 机 器 自 动 知 识 获 取, 因 而 称 作 半 自 动 化 的 知 识 获 取 以 下 的 一 些 方 法 属 于 半 自 动 化 获 取 方 法 (1) 智 能 知 识 编 辑 这 是 一 个 通 过 建 立 智 能 知 识 编 辑 器 来 实 现 知 识 获 取 的 方 法, 让 拥 有 领 域 知 识 的 专 家 通 过 智 能 知 识 编 辑 器 直 接 与 专 家 系 统 打 交 道, 回 答 智 能 知 识 编 辑 器 提 出 的 问 题, 并 由 智 能 知 识 编 辑 器 自 动 生 成 知 识 库 智 能 知 识 编 辑 器 是 一 种 类 似 于 数 据 库 编 辑 器 的 软 件, 它 可 实 现 对 知 识 库 的 结 构 和 内 容 进 行 修 改, 是 目 前 建 造 专 家 系 统 时 常 用 的 一 种 工 具 (2) 知 识 发 现 系 统 这 是 一 种 利 用 计 算 机 进 行 辅 助 以 获 取 知 识 的 系 统, 是 目 前 机 器 学 习 领 域 研 究 的 主 要 内 容 这 种 系 统 能 够 利 用 计 算 机 通 过 内 建 的 各 种 数 据 分 析 模 型 与 算 法, 对 训 练 数 据 或 实 际 问

25 8.3 知 识 获 取 297 题 进 行 分 析 处 理, 归 纳 总 结 或 发 现 一 些 尚 未 为 专 家 系 统 掌 握 或 认 识 的 新 知 识, 并 将 其 送 入 系 统 知 识 库, 使 其 知 识 不 断 完 善 丰 富 半 自 动 知 识 获 取 实 际 是 目 前 建 造 专 家 系 统 时 最 常 采 用 的 方 法, 尽 管 自 动 知 识 获 取 是 人 们 所 渴 望 的, 但 由 于 目 前 许 多 相 关 技 术 如 模 式 识 别 自 然 语 言 理 解 机 器 学 习 等 还 不 太 成 熟, 因 此, 人 - 机 结 合 的 半 自 动 知 识 获 取 方 法 在 目 前 来 说 就 是 比 较 好 的 方 法 当 然, 由 不 同 人 员 建 造 的 不 同 专 家 系 统, 其 知 识 获 取 的 半 自 动 化 程 度 是 不 同 的, 这 与 编 程 人 员 的 抽 象 能 力 编 程 水 平 等 因 素 有 关 3. 自 动 知 识 获 取 自 动 知 识 获 取 是 指 通 过 专 家 系 统 本 身 来 获 取 知 识 具 有 自 动 获 取 知 识 的 专 家 系 统 不 仅 可 以 与 领 域 专 家 直 接 对 话, 从 专 家 提 供 的 原 始 信 息 中 学 习 到 专 家 系 统 所 需 要 的 知 识, 而 且 还 能 从 一 般 的 知 识 源, 如 训 练 数 据 库 中 通 过 机 器 学 习 技 术 获 取 知 识, 有 的 甚 至 能 在 系 统 的 实 际 运 行 实 践 中 总 结 归 纳 出 新 的 知 识, 发 现 和 改 正 自 身 存 在 的 错 误, 并 通 过 不 断 地 自 我 完 善, 使 知 识 库 逐 步 趋 于 完 整 一 致 在 自 动 知 识 获 取 中, 专 家 系 统 本 身 能 够 完 成 原 来 由 知 识 工 程 师 才 能 完 成 的 工 作, 例 如, 与 专 家 的 接 触 交 流 分 析 抽 象 归 纳 总 结 等 为 此, 系 统 应 具 备 如 下 的 功 能 (1) 具 有 语 音 文 字 图 像 的 识 别 功 能 为 了 实 现 知 识 的 自 动 获 取, 就 必 须 使 专 家 系 统 能 与 领 域 专 家 直 接 交 流 而 领 域 专 家 往 往 会 以 交 谈 的 方 式 或 语 音 录 像 图 像 以 及 书 面 文 字 资 料 等 形 式 为 专 家 系 统 提 供 原 始 知 识, 这 就 要 求 系 统 应 具 有 语 音 识 别 文 字 识 别 及 图 像 识 别 的 功 能 目 前 这 方 面 的 研 究 已 取 得 相 当 大 的 进 展, 有 的 已 进 入 实 用 阶 段, 比 如 文 字 识 别 技 术 已 相 当 成 熟, 而 语 音 识 别 和 图 像 识 别 虽 然 也 取 得 了 较 大 进 展, 但 离 实 际 应 用 还 有 相 当 大 的 距 离 (2) 具 有 理 解 分 析 归 纳 的 能 力 在 具 有 了 语 音 文 字 等 识 别 能 力 后, 领 域 专 家 以 语 音 或 文 字 等 提 供 的 知 识 首 先 能 够 被 系 统 识 别, 但 光 识 别 并 不 能 形 成 知 识, 为 了 把 它 变 成 知 识 库 中 的 知 识, 必 须 要 对 所 识 别 出 的 内 容 进 行 理 解, 并 在 理 解 的 基 础 上 进 行 分 析 归 纳 提 炼 综 合, 从 中 抽 出 专 家 系 统 所 需 要 的 知 识 并 送 入 知 识 库 这 就 可 能 涉 及 到 自 然 语 言 理 解 文 本 信 息 抽 取 和 图 像 信 息 抽 取 等 技 术 的 研 究 自 然 语 言 理 解 的 研 究 具 有 相 当 大 的 难 度, 尤 其 是 语 义 的 理 解, 距 实 际 应 用 还 相 当 遥 远 (3) 具 有 从 自 身 运 行 过 程 中 学 习 的 能 力 在 专 家 系 统 投 入 使 用 以 后, 随 着 实 际 应 用 的 需 要, 系 统 知 识 库 的 不 完 善 性 会 逐 渐 暴 露 出 来, 这 时 就 要 求 专 家 系 统 本 身 能 够 在 系 统 实 际 运 行 过 程 中, 不 断 地 总 结 经 验 教 训, 从 运 行 实 践 中 归 纳 产 生 出 新 的 知 识, 纠 正 知 识 库 中 可 能 存 在 的 错 误, 实 现 知 识 库 的 自 我 完 善 知 识 的 自 动 获 取 显 然 是 一 种 理 想 的 专 家 系 统 知 识 获 取 方 式, 而 要 真 正 实 现 这 一 目 标, 必

26 298 第 八 章 专 家 系 统 将 涉 及 到 自 然 语 言 理 解 机 器 学 习 模 式 识 别 信 息 抽 取 等 诸 多 的 人 工 智 能 研 究 领 域, 甚 至 对 硬 件 方 面 也 有 较 高 的 要 求 尽 管 近 年 来 在 这 些 领 域 的 研 究 取 得 了 很 大 的 进 步, 但 距 离 真 正 的 实 用 化 目 标 还 有 很 远, 要 实 现 真 正 意 义 上 的 自 动 知 识 获 取, 还 有 待 机 器 学 习 研 究 在 理 论 和 技 术 上 的 重 大 突 破 8.4 专 家 系 统 的 设 计 与 建 造 专 家 系 统 的 研 究 已 有 30 多 年 的 历 史, 它 目 前 仍 是 人 工 智 能 中 具 有 吸 引 力 的 研 究 领 域, 尽 管 有 关 专 家 系 统 的 设 计 与 建 造 方 法 尚 未 形 成 规 范, 但 经 过 30 多 年 的 努 力, 也 毕 竟 在 专 家 系 统 的 设 计 与 建 造 方 面 积 累 了 一 定 的 经 验, 本 节 我 们 将 从 专 家 系 统 的 设 计 与 建 造 角 度 讨 论 专 家 系 统 的 开 发 方 法 开 发 专 家 系 统 的 基 本 要 求 在 现 实 世 界 中, 并 不 是 所 有 的 应 用 领 域 都 需 要 专 家 系 统, 也 不 是 所 有 的 应 用 领 域 都 能 应 用 专 家 系 统 这 除 了 建 造 专 家 系 统 所 需 的 支 撑 环 境 和 实 现 技 术 的 可 行 性 等 因 素 外, 还 要 考 虑 一 些 问 题 的 领 域 特 性 以 及 领 域 专 家 与 其 知 识 表 达 等 方 面 的 一 些 要 求 下 面 就 对 开 发 专 家 系 统 时 的 一 些 基 本 要 求 进 行 讨 论 1. 选 择 合 适 的 应 用 领 域 及 问 题 哪 些 领 域 适 合 开 发 专 家 系 统, 哪 些 领 域 不 适 于 开 发 专 家 系 统, 是 开 发 专 家 系 统 时 首 先 要 考 虑 的 一 个 问 题 只 有 在 那 些 真 正 需 要 专 家 系 统 而 又 便 于 开 发 的 应 用 领 域, 才 可 考 虑 建 造 专 家 系 统 下 面 是 选 择 专 家 系 统 应 用 领 域 时 应 遵 循 的 一 些 原 则 (1) 该 应 用 领 域 是 否 有 使 用 专 家 系 统 的 需 求 一 个 应 用 领 域 是 否 有 开 发 专 家 系 统 的 必 要, 首 先 需 要 看 该 应 用 领 域 是 否 有 应 用 专 家 系 统 的 需 求 如 果 在 一 个 没 有 应 用 要 求 的 领 域 开 发 专 家 系 统, 那 将 是 毫 无 意 义 的 因 此, 应 用 领 域 的 需 求 是 开 发 专 家 系 统 的 首 要 条 件 例 如, 在 中 医 诊 疗 方 面, 由 于 病 因 的 复 杂 性, 就 需 要 那 些 有 经 验 的 名 老 中 医, 但 这 样 的 医 生 可 能 很 少, 并 且 并 不 是 每 个 医 生 都 是 看 各 种 病 的 高 手, 那 么, 将 多 名 老 中 医 老 专 家 的 诊 病 经 验 合 在 一 起, 开 发 一 个 中 医 诊 断 专 家 系 统 就 很 有 必 要 (2) 所 涉 及 的 领 域 问 题 是 否 适 合 用 专 家 系 统 来 解 决 领 域 专 家 一 般 是 通 过 逻 辑 思 维 启 发 式 推 理 等 方 法 解 决 问 题 的 计 算 机 专 家 系 统 正 好 能 适 应 领 域 专 家 的 这 种 工 作 方 式 尤 其 是 适 合 解 决 那 些 迄 今 为 止 人 类 还 没 有 彻 底 掌 握 的 不 存 在 成 熟 算 法 且 主 要 靠 专 家 经 验 来 解 决 的 带 有 点 模 糊 性 的 领 域 问 题 至 于 那 些 已 存 在 成 熟 算 法 的 领 域 问 题, 可 直 接 用 传 统 软

27 8.4 专 家 系 统 的 设 计 与 建 造 299 件 设 计 方 法 来 解 决, 而 不 必 采 用 专 家 系 统 例 如, 像 上 面 所 说 的 中 医 专 家 系 统, 因 为 有 些 病 症 可 能 是 由 这 样 的 病 因 引 起 的, 也 可 能 是 由 那 样 的 病 因 引 起 的, 病 因 的 确 诊 一 般 不 能 套 一 个 固 定 的 模 式 确 定, 而 是 由 专 家 根 据 经 验 确 定, 这 样 的 问 题 就 适 合 用 专 家 系 统 来 解 决 (3) 领 域 专 家 的 经 验 是 否 易 于 获 得 问 题 领 域 的 选 择 通 常 还 与 专 家 掌 握 该 问 题 领 域 知 识 的 程 度 有 关, 即 与 专 家 求 解 问 题 的 准 确 性 和 知 识 好 坏 程 度 有 关 如 果 任 务 非 常 新 难 度 又 十 分 大, 以 至 于 为 求 解 该 问 题 需 要 做 一 些 基 础 性 研 究 工 作 的 话, 则 该 任 务 不 宜 用 专 家 系 统 来 解 决 2. 建 造 专 家 系 统 的 可 行 性 当 应 用 领 域 和 要 解 决 问 题 确 定 之 后, 还 要 考 虑 它 的 可 行 性 问 题, 包 括 经 济 可 行 性 技 术 可 行 性 操 作 可 行 性 等 (1) 经 济 和 技 术 可 行 性 经 济 和 技 术 可 行 性 主 要 考 虑 建 造 专 家 系 统 所 要 付 出 的 代 价 是 否 值 得, 所 需 要 的 技 术 是 否 具 备 在 出 现 以 下 情 况 时, 是 不 合 适 开 发 专 家 系 统 的 : 1 问 题 求 解 需 要 很 大 的 物 质 或 金 钱 代 价 ; 2 人 类 专 家 的 知 识 被 遗 忘 或 在 知 识 传 递 中 被 损 失 ; 3 领 域 专 家 的 知 识 或 经 验 非 常 少, 甚 至 没 有 ; 4 在 许 多 情 况 下 必 须 人 类 专 家 亲 临 现 场 解 决 (2) 操 作 可 行 性 操 作 可 行 性 是 指 当 其 他 条 件 具 备 之 后, 能 否 付 诸 实 施 在 专 家 系 统 建 造 时, 领 域 问 题 的 难 度 和 系 统 规 模 要 适 中 如 果 领 域 问 题 的 难 度 和 规 模 太 小, 会 使 开 发 专 家 系 统 失 去 意 义, 这 样 的 专 家 系 统 根 本 没 有 研 制 的 必 要 如 果 领 域 问 题 的 难 度 和 规 模 太 大, 则 会 使 专 家 系 统 的 建 造 不 具 有 可 操 作 性, 或 者 说 难 以 建 立, 或 建 成 后, 由 于 知 识 库 规 模 庞 大, 导 致 运 行 效 率 很 低 低 从 知 识 库 的 规 模 来 看, 如 果 其 中 所 含 有 的 知 识 数 量 在 10 2 ~10 3 之 间, 则 比 较 适 合 用 来 研 制 实 用 的 专 家 系 统 相 对 而 言, 仅 有 几 十 条 知 识 的 专 家 系 统 没 有 开 发 的 实 际 价 值, 因 为 完 全 可 以 用 一 个 简 单 的 普 通 程 序 完 成 所 需 的 功 能 ; 而 如 果 一 个 专 家 系 统 需 要 数 千 或 上 万 条 知 识 才 能 解 决 该 领 域 问 题, 则 此 种 专 家 系 统 就 有 点 过 于 复 杂 和 庞 大 了 建 造 一 个 值 得 开 发 而 又 不 至 于 太 难 太 大 的 专 家 系 统, 才 有 使 用 价 值 和 实 际 意 义 3. 领 域 专 家 的 积 极 参 与 如 果 没 有 某 领 域 内 的 真 正 公 认 的 高 水 平 领 域 专 家 的 积 极 参 与, 要 开 发 一 个 该 领 域 的 实 用 专 家 系 统 只 能 是 一 句 空 话 所 谓 真 正 公 认 的 高 水 平 领 域 专 家 是 指 在 该 领 域 具 有 杰 出 成 就 的 第 一 流 专 家, 他 不 仅 具 有 广 泛 的 专 业 知 识, 而 且 在 解 决 该 领 域 的 专 业 问 题 方 面 比 一 般 人 能 力 更 强 一 般 来 说, 与 高 水 平 领 域 专 家 相 互 合 作 而 开 发 的 专 家 系 统, 具 有 较 好 的 性 能, 解 决 实 际 问 题 的 能 力 也 较 强, 并 且 易 于 被 别 的 同 行 专 家 和 用 户 所 认 同 当 然, 光 有 高 水 平 的 专 家 还 不 够, 还 要 动 员 他 们 积 极 参 与, 使 他 们 具 有 参 与 系 统 开 发 的 责 任 和 热 情

28 300 第 八 章 专 家 系 统 4. 知 识 的 可 表 达 性 高 水 平 领 域 专 家 的 积 极 参 与 是 必 要 的, 但 光 是 参 与 还 远 远 不 够, 领 域 专 家 必 须 与 知 识 工 程 师 充 分 交 流, 用 明 确 易 懂 的 方 式 表 达 他 们 在 解 决 领 域 问 题 时 所 采 用 的 知 识 经 验 技 能 和 方 法 如 果 专 家 的 某 些 只 可 意 会 不 可 言 传 的 知 识, 不 能 合 理 地 表 达 出 来 话, 要 想 把 这 样 的 知 识 送 入 知 识 库 是 不 可 能 的 当 有 多 个 领 域 专 家 合 作 时, 这 些 领 域 专 家 应 该 能 够 在 领 域 问 题 及 其 解 决 方 法 方 面 取 得 一 致 意 见, 否 则, 知 识 工 程 师 将 无 法 将 他 们 的 知 识 以 某 种 形 式 化 的 规 则 表 示 出 来, 建 立 高 性 能 专 家 系 统 也 将 是 一 句 空 话 如 何 准 确 地 表 述 专 家 系 统 的 知 识, 直 接 影 响 到 专 家 系 统 中 知 识 的 符 合 率 所 谓 符 合 率 就 是 专 家 系 统 中 形 式 化 后 的 规 则 与 专 家 所 给 规 则 完 全 符 合 的 百 分 数 例 如, 如 果 某 专 家 治 病 的 准 确 率 是 80%, 按 照 该 专 家 的 诊 病 经 验 而 开 发 的 专 家 系 统 符 合 率 是 85%, 则 所 开 发 的 专 家 系 统 的 准 确 率 是 80% 85%=68% 因 此, 能 否 准 确 地 表 示 领 域 专 家 的 知 识 是 极 其 重 要 的 由 此 可 见, 只 有 那 些 专 家 的 知 识 经 验 能 用 语 言 或 文 字 表 达 清 楚 的 应 用 领 域, 才 适 合 开 发 专 家 系 统 只 有 这 样, 知 识 工 程 师 才 能 通 过 与 领 域 专 家 的 接 触 与 交 谈, 把 专 家 的 知 识 分 析 抽 象 整 理 出 来, 并 加 以 形 式 化 后 存 入 知 识 库 而 那 些 全 凭 专 家 的 感 觉 和 直 觉 工 作 的 某 些 领 域 ( 如 品 尝 专 业 ) 和 完 全 依 赖 于 技 能 的 领 域 ( 如 外 科 手 术 ), 目 前 还 不 太 适 合 建 立 专 家 系 统 专 家 系 统 建 造 步 骤 专 家 系 统 是 一 种 基 于 知 识 的 问 题 求 解 系 统, 其 设 计 与 建 造 方 法 尚 未 形 成 规 范,1977 年 费 根 鲍 姆 提 出 了 知 识 工 程 的 概 念, 期 望 专 家 系 统 的 设 计 与 建 设 过 程 能 够 实 现 工 程 化 规 范 化, 随 后 有 人 提 出 了 基 于 知 识 系 统 开 发 的 知 识 工 程 生 命 周 期 的 概 念 知 识 工 程 生 命 周 期 与 软 件 工 程 生 命 周 期 相 比, 有 较 相 似 的 地 方, 也 有 不 同 之 处 专 家 系 统 是 一 种 基 于 知 识 的 面 向 领 域 的 具 有 专 家 级 问 题 求 解 能 力 的 复 杂 软 件 系 统, 不 同 系 统 的 开 发 过 程 又 有 着 各 自 不 同 的 特 殊 性 和 侧 重 点 因 此, 不 同 的 专 家 系 统 开 发 人 员 对 知 识 工 程 生 命 周 期 的 划 分 也 有 不 同 的 观 点 有 人 将 知 识 工 程 生 命 期 划 分 为 : 系 统 分 析 需 求 说 明 技 术 选 定 数 据 设 计 进 程 设 计 及 物 理 设 计 6 个 阶 段 ; 也 有 人 将 知 识 工 程 生 命 期 简 单 的 划 分 为 问 题 确 定 概 念 化 形 式 化 实 现 和 测 试 5 个 阶 段 这 些 划 分 方 法 虽 然 在 基 于 知 识 的 系 统 专 家 系 统 的 建 设 规 范 化 方 面 发 挥 了 一 定 的 作 用, 但 却 无 法 解 决 专 家 系 统 建 造 过 程 中, 知 识 获 取 及 知 识 的 形 式 化 方 面 存 在 的 瓶 颈 问 题 原 型 法 是 解 决 专 家 系 统 建 造 中 知 识 获 取 瓶 颈 问 题 的 一 种 较 好 方 法, 其 基 本 思 想 是 : 首 先 建 立 一 个 能 够 反 映 用 户 主 要 需 求 和 专 家 求 解 问 题 基 本 方 法 的 系 统 原 型, 然 后 让 用 户 和 专 家 看 一 看 未 来 系 统 在 功 能 和 求 解 能 力 上 的 概 貌, 以 便 让 用 户 和 专 家 对 系 统 的 功 能 和 知 识 库 提 出 修 改 要 求 然 后 将 原 型 反 复 修 改, 最 终

29 8.4 专 家 系 统 的 设 计 与 建 造 301 建 立 符 合 用 户 要 求 具 有 专 家 级 求 解 能 力 的 新 系 统 基 于 原 型 法 的 专 家 系 统 开 发 过 程 一 般 由 8 个 阶 段 构 成 : 应 用 领 域 选 择 与 可 行 性 分 析 需 求 分 析 原 型 设 计 与 开 发 原 型 评 价 最 终 系 统 设 计 最 终 系 统 实 现 系 统 测 试 与 评 价 系 统 维 护 如 图 8.2 所 示 图 8.2 专 家 系 统 的 建 造 步 骤 下 面 对 图 8.2 所 描 述 的 专 家 系 统 开 发 的 各 个 阶 段 分 别 进 行 讨 论 1. 应 用 领 域 选 择 与 可 行 性 分 析 前 面 已 经 指 出, 选 择 合 适 的 应 用 领 域 问 题 是 能 否 建 造 专 家 系 统 的 首 要 条 件 这 一 阶 段 的 主 要 工 作 包 括 以 下 几 个 方 面 (1) 问 题 调 研 通 过 广 泛 地 调 查 研 究 和 征 求 意 见, 列 出 一 切 有 应 用 专 家 系 统 需 求 的 应 用 领 域 和 问 题, 并 根 据 需 求 的 迫 切 性 市 场 的 广 阔 性 等 对 所 选 择 的 问 题 进 行 筛 选, 把 那 些 具 有 市 场 前 景 的 迫 切 需 要 的 项 目 选 择 出 来 (2) 可 行 性 分 析 对 上 一 步 选 择 出 的 项 目 进 行 详 细 的 可 行 性 分 析, 包 括 : 对 问 题 实 用 性 的 分 析 ; 技 术 可 行 性 即 专 家 及 其 经 验 的 可 获 得 性 的 分 析 ; 操 作 可 行 性 确 定 问 题 的 难 度 和 专 家 系 统 的 规 模 ; 经 济 可 行 性 专 家 系 统 的 费 用 / 效 益 比 分 析 (3) 确 定 最 终 入 选 的 问 题 经 过 详 细 的 问 题 调 研 和 可 行 性 分 析 之 后, 遴 选 出 来 的 应 用

30 302 第 八 章 专 家 系 统 问 题 都 适 合 于 应 用 专 家 系 统 来 解 决, 同 时 也 是 用 户 继 续 要 解 决 的 问 题, 并 且 开 发 这 样 的 专 家 系 统 具 有 较 好 的 费 用 / 效 益 比 通 过 和 用 户 或 主 管 部 门 的 充 分 协 商, 从 这 些 候 选 的 应 用 问 题 领 域 中, 最 终 确 定 一 个 应 用 领 域 进 行 专 家 系 统 开 发 2. 需 求 分 析 需 求 分 析 就 是 系 统 建 造 人 员 对 用 户 的 需 求 进 行 详 尽 的 调 查 和 仔 细 的 分 析, 它 是 建 立 专 家 系 统 的 第 一 步, 需 求 分 析 的 好 坏 直 接 影 响 着 系 统 开 发 的 成 败 因 此, 知 识 工 程 师 在 进 行 构 思 和 设 计 专 家 系 统 之 前, 必 须 做 好 对 用 户 需 求 的 分 析 需 求 分 析 的 主 要 任 务 包 括 : 充 分 地 与 用 户 和 领 域 专 家 进 行 讨 论 ; 写 出 需 求 分 析 报 告 ; 选 择 有 代 表 性 的 用 户 和 专 家 对 需 求 报 告 进 行 评 审 ; 写 出 专 家 系 统 的 规 格 说 明 书 与 开 发 计 划 需 求 规 格 说 明 书 是 这 一 步 的 重 要 结 果, 也 是 下 一 步 工 作 开 始 的 依 据, 其 内 容 包 括 : 目 标 与 任 务 描 述 数 据 与 知 识 描 述 功 能 描 述 性 能 描 述 质 量 保 证 时 间 与 进 度 要 求 等 目 标 与 任 务 描 述 简 单 叙 述 在 应 用 领 域 选 择 与 可 行 性 分 析 阶 段 确 定 的 关 于 专 家 系 统 的 目 标 即 要 解 决 的 问 题 ; 数 据 与 知 识 描 述 用 来 表 达 专 家 系 统 所 涉 及 的 数 据 知 识 以 及 它 们 的 获 取 方 法 表 示 方 法, 还 可 以 采 用 数 据 流 图 的 方 法 表 示 出 系 统 的 逻 辑 模 型 ; 功 能 描 述 是 对 专 家 系 统 功 能 要 求 的 说 明, 用 形 式 化 或 非 形 式 化 的 方 法 表 示 ; 性 能 描 述 则 是 对 专 家 系 统 性 能 要 求 的 说 明, 包 括 系 统 的 处 理 速 度 实 时 性 要 求 安 全 限 制 问 题 解 答 的 表 示 形 式 等 ; 质 量 保 证 阐 述 在 系 统 交 付 使 用 前 需 要 进 行 的 功 能 测 试 和 性 能 测 试, 并 且 规 定 系 统 源 程 序 和 开 发 文 档 应 该 遵 守 的 各 种 标 准 ; 时 间 与 进 度 要 求 是 对 系 统 开 发 的 一 种 管 理, 它 直 接 关 系 到 系 统 开 发 的 计 划 人 员 的 组 织 与 安 排 等 3. 原 型 设 计 与 开 发 原 型 化 开 发 方 法 是 一 种 开 发 大 型 软 件 的 较 好 方 法, 它 可 以 提 高 开 发 速 度, 缩 短 开 发 周 期, 并 且 开 发 出 的 软 件 易 于 被 用 户 接 受 其 基 本 思 想 是 在 开 发 最 终 系 统 之 前, 先 应 用 面 向 对 象 或 其 他 的 程 序 设 计 技 术 搭 建 出 一 个 简 单 的 示 范 系 统, 由 用 户 或 领 域 专 家 试 用, 并 提 出 修 改 意 见, 以 便 系 统 开 发 人 员 充 分 了 解 用 户 的 需 求, 在 多 次 反 复 修 改 并 使 原 型 系 统 达 到 用 户 要 求 之 后, 开 发 人 员 根 据 原 型 系 统 开 发 的 经 验, 开 发 正 式 的 系 统, 它 可 以 使 开 发 人 员 充 分 理 解 用 户 的 需 求, 减 少 不 必 要 的 反 工, 提 高 软 件 的 开 发 效 率 专 家 系 统 一 般 属 于 大 型 的 软 件 系 统, 采 用 原 型 法 建 造 专 家 系 统 是 一 个 明 智 之 举 在 建 造 系 统 原 型 时, 要 注 意 这 样 一 些 问 题 :(1) 只 追 求 系 统 主 要 功 能 的 实 现, 暂 不 考 虑 系 统 的 处 理 效 率 和 次 要 功 能 ;(2) 知 识 库 中 的 知 识 数 量 不 能 太 多, 但 对 解 决 该 类 型 问 题 所 需 的 知 识 类 型 应 该 齐 全 ;(3) 对 系 统 的 实 现 方 法 与 知 识 库 的 构 建 方 法 推 理 方 法 等 都 应 有 多 种 备 选 方 案, 以 供 专 家 系 统 开 发 者 和 用 户 比 较, 以 便 在 开 发 最 终 系 统 时 选 用 最 好 的 方 法 构 造 专 家 系 统 原 型 的 主 要 步 骤 包 括 : 初 步 知 识 获 取 ; 基 本 问 题 求 解 方 法 的 确 定 ; 推 理 方

31 8.4 专 家 系 统 的 设 计 与 建 造 303 式 的 确 定 ; 知 识 表 示 方 法 的 确 定 ; 工 具 选 择 ; 原 型 系 统 开 发 4. 原 型 评 价 在 原 型 系 统 开 发 成 功 之 后, 要 对 用 户 知 识 工 程 师 和 领 域 专 家 进 行 原 型 系 统 的 运 行 与 演 示, 由 用 户 领 域 专 家 知 识 工 程 师 和 系 统 编 程 人 员 共 同 对 系 统 进 行 评 价, 对 系 统 的 主 要 功 能 知 识 推 理 功 能 等 需 求 规 格 说 明 书 中 的 主 要 指 标 进 行 测 试 根 据 测 试 结 果, 对 系 统 的 功 能 知 识 库 推 理 机 等 主 要 部 分 的 不 足 进 行 反 馈, 以 便 进 行 修 改 5. 最 终 系 统 设 计 用 原 型 法 开 发 的 原 型 系 统 时, 一 般 都 是 用 某 种 开 发 工 具 或 效 率 不 高 的 开 发 语 言 实 现 的, 除 了 简 单 的 系 统 外, 大 多 数 原 型 系 统 都 废 弃 不 用, 开 发 原 型 系 统 只 是 帮 助 定 义 系 统 需 求 的 一 种 手 段 在 利 用 原 型 法 完 成 了 系 统 需 求 的 确 切 定 义 之 后, 就 进 入 最 终 系 统 的 设 计 阶 段 这 一 阶 段 的 主 要 目 标 是 : 加 深 对 系 统 的 进 一 步 理 解 ; 制 定 好 开 发 规 划 ; 确 定 实 施 策 略 ; 对 所 有 为 系 统 开 发 提 出 过 建 议 的 人 阐 明 对 问 题 的 理 解 程 度, 以 得 到 他 们 的 支 持 和 帮 助 ; 为 项 目 管 理 提 供 直 观 的 检 测 点, 使 用 户 参 与 系 统 的 开 发 ; 合 理 组 织 人 员, 协 调 项 目 的 进 展 该 阶 段 的 主 要 任 务 包 括 : 问 题 的 详 细 定 义 ; 确 定 项 目 规 划 ; 对 系 统 各 个 方 面 进 行 设 计, 如 基 本 知 识 描 述 系 统 体 系 结 构 工 具 选 择 知 识 表 示 方 式 推 理 方 式 对 话 模 型 等 ; 制 定 测 试 规 划 ; 制 定 产 品 规 划 ; 提 出 实 施 规 划 等 本 阶 段 的 最 终 结 果 是 系 统 设 计 说 明 书 6. 最 终 系 统 实 现 本 阶 段 依 据 最 终 系 统 设 计 说 明 书 对 专 家 系 统 进 行 编 程 实 现 因 此, 应 该 首 先 选 择 适 当 的 语 言 环 境 和 软 件 开 发 工 具 系 统 实 现 所 要 完 成 的 主 要 工 作 包 括 : 原 型 系 统 修 改 ; 系 统 实 现 ; 系 统 集 成 与 验 证 7. 系 统 测 试 与 评 价 最 终 系 统 完 成 后, 它 是 否 达 到 设 计 要 求, 还 需 对 其 进 行 必 要 的 测 试 与 评 估, 并 根 据 测 试 与 评 估 结 果 对 系 统 进 行 必 要 的 修 改, 以 达 到 需 求 分 析 书 中 所 确 立 的 性 能 与 功 能 指 标 8. 系 统 维 护 与 完 善 这 是 专 家 系 统 开 发 过 程 的 最 后 一 个 阶 段, 也 是 系 统 交 付 使 用 后 的 一 个 阶 段, 这 一 阶 段 十 分 重 要 在 这 一 阶 段 中, 系 统 人 员 要 倾 听 用 户 的 反 映, 对 系 统 中 的 一 些 不 足 进 行 不 断 的 完 善 维 护 阶 段 的 主 要 工 作 是 : 不 断 增 加 系 统 功 能 ; 不 断 修 改 系 统, 尤 其 是 扩 充 知 识 库, 增 加 新 的 知 识, 使 其 更 完 备 ; 不 断 扩 大 系 统 应 用 领 域, 增 强 系 统 的 问 题 求 解 能 力 ; 修 改 系 统, 使 其 能 够 适 应 外 部 环 境 的 变 化