《人工智能》教学讲座④：机器专家

《人工智能》教学讲座④机器专家1965年研制出判断物质分子结构的第一个专家系统（DENDRAL）后，使得人工智能的研究，从以推理算法为主，转变为以知识为主。

一、基本概念每一个人，都可以利用自己的推理能力，解决一些简单的问题。

但是，当遇到一些比较复杂的问题时，可能就会束手无策了。

此时，就需要咨询专业领域里的专家了。

不同领域里的专家，都会各自积累了许多丰富的知识、经验，并具备了解决问题时，独到思维方式。

⒈专家系统如果能够利用人工智能技术，让计算机像人类专家一样地思考问题，来给人们排忧解难，可以满足人们日益增长的美好生活需要。

人工智能的专家系统，就可以帮助人们，来实现这个美好的愿望。

思考问题1：请根据事物特征的描述，推理出所描述的是什么事物？感受人类推理的过程。

判断动物：这是脊椎动物。

生活在四川、陕西和甘肃等地。

善于爬树、嬉戏。

几乎完全靠吃竹子为生黑白相间的外表。

这个动物，是。

专家系统（Expert System)是指从某些领域里，获得大量的专家知识和推理方法，用来求解复杂问题的一种人工智能计算机程序。

⒉专家系统的优势专家系统应用范围越来越广，解决问题的能力也越来越强。

专家系统具有优势，如：①准确、高效、周到、快捷，不知疲倦地进行工作。

②解决实际问题时，不受周围环境的影响。

③不受时空限制的专长，有利于推广专家知识和经验。

④汇集、集成多领域专家的知识和经验，协作解决问题。

⒊应用领域专家系统技术发展非常迅速。

专家系统的应用领域已扩展到数学、物理、化学、医学、地质、气象、农业、法律、教育、交通、艺术以及计算机学科，产生了极大的社会效益。

同时，也促进了人工智能本身的理论、技术的发展。

活动体验1：请在网上，输入“专家系统”词语，搜索一些领域的专家系统。

并尝试体验一下专家系统。

二、工作原理⒈基本结构专家的能力有2个方面：①具有大量的专业知识。

②根据具体问题，灵活运用知识，推理得到答案。

人工智能的专家系统，则用“知识库”来存放专家的知识，用“推理机”来模拟专家思维的过程，如图：基本结构专家系统以逻辑推理为手段，以知识为中心解决问题的。

核心是“知识库”和“推理机”。

工作过程：根据知识、事实，进行推理。

不断地由已知的前提，推出中间结果，并将中间结果放到数据库中，作为已知事实进行推理，直到获得最终结果。

⒉产生式规则产生式规则模拟人类求解问题的思维方式，来表达专家领域里的启发式知识、经验知识。

是用来描述事物之间因果关系的。

产生式规则，通常是用“IF（如果）”和逻辑运算符AND（与）、OR（或）、NOT （非）以及“THEN（然后）”组成的表达式。

产生式：IF<P>THEN<Q>其中：P：产生式的前提、条件、前件。

Q：产生式的结论、操作、后件。

当P被满足时，应该得出Q的结论，或者是应该执行的操作。

思考问题2：推理关系：如果是动物，并且吃肉，那么是食肉动物。

产生式：IF动物AND吃肉THEN食肉动物思考问题3：请写出下列推理关系的产生式。

推理关系：如果是三角形，并且三条边相等，那么是等边三角形。

产生式：IFANDTHEN。

三、开发专家系统开发专家系统采用的手段，有2种：①程序设计语言。

②专家系统工具。

⒈程序设计语言目前，开发专家系统比较常用的程序设计语言，有3类：①函数型语言。

②逻辑型语言。

③面向对象语言。

程序设计语言用程序设计语言，来开发专家系统的优点是：比较灵活、针对性强。

缺点是：一切工作都要从头做起，工作量很大。

⒉专家系统工具目前，开发专家系统常用的专家系统工具，分为2种：①专家系统外壳。

②专家系统通用工具。

专家系统工具①外壳专家系统外壳（骨架系统）是将比较成熟的、具体的专家系统，抽去具体的知识，只剩下的外壳、骨架结构的部分。

既保留了体系的结构、功能，又把专用领域的界面，改成为了通用领域的界面。

利用专家系统外壳作为开发工具，只要将新的领域知识，填充到专家系统外壳中去，就可以生成新的专家系统。

采用外壳建造专家系统的优点是：可以大大减少系统开发的工作量。

而缺点是：只适用于建造与外壳类似的专家系统，局限性大，灵活性也差。

所以，用外壳来建造专家系统的关键是：选择合适的外壳。

②通用工具专家系统通用工具是不依赖于任何已有的专家系统，不针对任何具体领域的。

专家系统通用工具与专家系统的外壳相比，具有更大的灵活性和通用性。

但是，同时也增加了使用难度。

（通用的专家系统工具，也有许多种，如：OPS-5、PROLOG、UNITS、RLL、ROSIE等。

）活动体验2：如果是对各种水果，进行特征抽取、合理分类。

可以使用专家系统外壳“InterModeller”，来开发一个简单的“水果识别”专家系统。

①双击“InterModeller.exe”文件图标，打开“InterModeller”窗口。

图1 单击“文件”→“新建”，选择“顺序规则”②单击菜单栏中的“文件”→“新建”命令项，弹出的“建立一个新InterModeller模型”对话框，如图1。

③单选最下面的一项“顺序规则”后，单击“新模型”按钮确定，又如图1。

④单击菜单栏中的“模型”命令项后，会看到在弹出的下拉菜单中，系统默1”的选项，如图2。

图2 单击“模型”→“规则编辑器…”⑤单击选择下拉菜单中的“规则编辑器…”命令项，系统弹出“规则编辑器…”对话框，如图3。

图3 规则编辑器⑥输入“颜色、形状、……”，相关的规则内容，并选择对应的“AND、AND、THEN”逻辑运算符，如图4。

图4 输入“颜色、形状……”⑦单击“粘贴”按钮，把输入规则内容粘贴到“顺序规则1”窗口，如图5。

图5粘贴到“顺序规则1”窗口⑧先关闭“规则编辑器…”对话框后，再单击菜单栏中的“模型”→“运行”命令项，如图6。

图6 单击“模型”→“运行”⑨运行显示“InterModeller咨询”对话框，如图7。

图7 InterModeller咨询模型一旦建立，就可以像小型专家系统一样运行，完成交互式分类。

探究学习：按照上述方法，可以建立各种分类导向的主题模型，如：“识别熊猫、食肉动物、植物识别”等。

知识拓展1：专家系统的分类专家系统的分类方法很多，根据用途不同，可以将专家系统归为几大类：①解释型。

用语言分析符号数据，进而阐明这些数据的实际意义。

②预测型。

根据对象的过去和现在情况，来推断对象的未来演变结果。

③诊断型。

根据输入的信息，来找出对象的故障和缺陷。

④调试型。

给出已确定故障的排除方案。

⑤维修型。

指定并实施，纠正某类故障的规划。

⑥规划型。

根据给定目标，拟订行动计划。

⑦设计型。

根据给定要求，形成所需方案和图样。

⑧监护型。

完成实时监测任务。

⑨控制型。

完成实时控制任务。

⑩教育型。

诊断型和调试型的组合，用于教学和培训。

知识拓展2：智能模拟的局限性智能模拟只是对人类智能的模拟，不能模拟人类思维的社会性。

人类大脑的特殊机能，绝不是由单纯的生物学运动造成的。

而是长期的社会实践的结果，是与周围环境长期发生联系的结果。

孤立地模拟大脑的机制，不到与外界相联系的环境之中，当然就不可能产生思想。

如：“狼孩”具有人脑的天然机能。

但是，因为“狼孩”没有在人类社会中成长，脱离了社会生活。

因而，“狼孩”的智力低下，没有社会意识。

计算机不能参与人类长期的发展过程，不能参加人类的一切社会实践。

因此，计算机是不会具有真正意义上的思维，也不可能会模拟人的社会意识。

①某些自然属性，是可以模拟的。

②社会属性，是不能模拟的。

知识拓展3：开发专家系统步骤采用简单专家系统外壳的方式，适合于开发小型的、简易的专家系统。

采用简单专家系统外壳，进行开发专家系统的一般过程，如下：①开发工具要据目标，选择开发工具。

不同的专家系统处理不同领域的知识，在构造一个专家系统前，首先考虑这个专家系统要完成一个什么样的任务，根据不同的任务选择合适的专家系统外壳。

②分析事实在这一过程中，要对领域知识进行分析。

分析该领域中的知识是依据什么分类的？每一类都有哪些实例。

一般可以从形状、特征、功能等角度，考虑给领域知识分类。

③知识表示方式选择知识表示的方式有许多种，各有特点。

在实际使用中，可以根据需求，来选择某一种适合的表示方法。

④知识建模根据前面选择的知识表示方式，对知识建模。

假如选择了产生式规则表示法来表示知识，就要将知识转换成一条条产生式规则。

⑤加入知识库将上述过程中产生的规则以外壳设定的方式加入到知识库中，并且不断地修改和扩充规则，将其完善、使之优化。

⑥调试和评价运行专家系统，不断进行调试、评价和修改专家系统。