专家系统理论概述

专家系统理论概述

专家系统的基本概念

专家系统是人工智能应用研究的一个重要领域。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。自20世纪70年代专家系统的开发获得成功以来，目前已被成功的运用到科学技术、工业、农业、军事、医疗、教育等众多领域，并已产生了巨大的社会效益和经济效益。

目前，对什么是专家系统还没有一个严格公认的形式化定义。作为一种一般的解释，可以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，它能运用领域专家多年积累的经验和专门知识，模拟领域专家的思维过程，解决该领域中需要专家才能解决的复杂问题。

从上述解释可以看出，专家系统包括以下三个方面的含义：

(1) 专家系统是一种程序系统，但又具有智能，因此它不同于一般的程序系统，而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) 专家系统的智能来源于领域专家的知识、经验及解决问题的诀窍。为此，专家系统内部必须包含有大量专家水平的领域知识与经验，并且能够在运行过程中不断的增长新知识和修改原有知识。

(3) 专家系统所要解决的问题一般是那些本来应该由领域专家才能解决的问题。专家系统的分类

通常，专家系统都是针对某一应用领域而建立的。不同应用领域的专家系统，其功能、设计方法及实现技术也各不同。为了明确各类专家系统的特点及其所需要的技术和系统组织方法，本小节讨论专家系统的分类问题。

对专家系统的类型，可以有多种不同的划分方法。例如，可以按求解问题的性质分类，也可以按求解问题的要求分类，还可以按系统的体系结构分类等。

按求解问题的性质分类如下：

海叶斯-罗斯(F.Heyes-roth)等人按照求解问题的性质，将专家系统分为以下10种类型。

(1) 解释型专家系统

解释型专家系统的任务是通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的含义。其主要特点有：第一，系统处理的数据量很大，而且往往是不准确的、错误的或不完全的；第二，系统能够从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设；第三，系统的推理过程可能很复杂和很长，因而要求系统具有对自身推理过程做出解释的能力。

作为解释型专家系统的例子有语音理解、图像分析、系统监视、化学结构分析和信号解释等。例如，卫星图像分析、集成电路分析、石油测井数据分析、染色体分类等。

(2) 预测型专家系统

预测型专家系统的任务是通过对过去或现在知识状况的分析，推断未来可能发生的情况。其主要特点有：第一，系统处理的数据随时间变化，而且可能是不准确或不完备的；第二，系统需要有适应时间变化的动态模型，能够从不完全和不准确的信息中得出预报，并达到快速响应的要求。

预测专家系统的例子主要有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预测和作物产量预测等。

(3) 诊断型专家系统

诊断型专家系统的任务是根据观察到的情况来推断出某个对象机能失常的原因。其主要特点有：第一，能够了解被诊断对象和客体各组成部分的特性，以及它们之间的联系；第二，能够区分一种现象及其所掩盖的另一种现象；能够向用户提出测量的数据，并从不确切信息中得出尽可能正确的诊断。

诊断型专家系统的例子特别多，有医疗诊断、电子或机械故障诊断，以及材料失效诊断等。著名的血液病诊断专家系统MYCIN、青光眼治疗专家系统CASNET等

都属于这类专家系统。

(4) 设计型专家系统

设计型专家系统的任务是根据设计要求，求出满足设计问题约束的目标配置。其主要特点有：第一，善于从多方面的约束中得到符合要求的设计结果；第二，系统需要检索较大的可能解空间；第三，善于分析各种子问题，并处理好子问题间的相互作用；第四，能够试验性地构造出可能设计，并易于对所得设计方案进行修改；第五，能够使用已被证明是正确的设计来解释当前的设计。

设计型专家系统的例子主要有电路设计、土木建筑工程设计、机械产品设计、生产工艺设计等。（100层楼设计、白雪公主）

(5) 规划型专家系统

规划型专家系统的任务是要寻找出某个能够达到目标的动作序列或步骤。其主要特点有：第一，所要规划的目标可能是动态的或静止的；第二，所涉及的问题可能很复杂，要求系统能抓住重点，处理好各子目标间的关系和不确定的信息，并通过试验性动作得出可行的规划。

规划型专家系统可用于机器人规划、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。

(6) 监视型专家系统

监视专家系统的任务在于对系统、对象或过程的行为进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以发现异常情况，发出警报。监视专家系统的主要特点有：第一，系统应具有快速反应能力，在造成事故之前及时发出警报。第二，系统发出的警报要有很高的精确性；系统能够随时间和条件的变化而动态地处理其输入信息。

监视型专家系统可用于核电站的安全监视、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。

(7) 控制型专家系统

控制专家系统的任务是自适应的管理一个受控对象或客体的全面行为，使其满足预期要求。这类专家系统的主要特点是能够解释当前情况，预测未来可能发生的情况，诊断可能发生的问题及其原因，不断修正计划，并控制计划的执行。也就是说，控制型专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。

控制型专家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) 调试型专家系统（汽车公司）

调试专家系统的任务是对失灵的对象给出处理意见和方法。它要求专家系统须具有规划、设计、预报和诊断等功能。

调试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。

(9) 教学型专家系统

教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教学方案和教学方法对学生进行教学和辅导。这类专家系统的主要特点有：第一，同时具有诊断和调试功能；第二，具有良好的人机界面。

(10) 修理型专家系统

修理型专家系统的任务是对发生故障的对象（系统或设备）进行处理，使其恢复正常工作。这类专家系统的主要特点是同时具有诊断、调试、计划和执行等功能。（飞机能否起飞）

除了上述10种专家系统类型外，还有诸如决策型和管理型的专家系统。决策型专家系统是对各种可能的决策方案进行综合评判和选优的一类专家系统。它同时具有解释、诊断、预测、规划等功能，并能对相应领域中的问题做出辅助决策和对决策做出解释。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。

专家系统的特点

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) 可具有一个或多个专家的知识和经验，能以接近于人类专家的水平在特定领域工作。

(2) 能高效、准确、迅速地工作，不会像人类专家那样产生疲倦和不稳定。

(3)使人类专家的领域知识突破了时间和空间地的限制（医疗专家上班时间），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。

(1) 能进行有效推理，包括各种精确性推理和非精确性推理等。

(2) 具有透明性，能以可理解的方式解释推理过程。

(3) 具有自学习能力，可总结规律，不断扩充和完善系统自身。

(4) 能提高生产率，产生巨大的社会效益、经济效益等。

(5) 对推动人工智能等其它学科的发展具有重大的作用。

总之，专家系统无论在当前还是未来，都是专家可以信赖和利用的高水平智能助手，是计算机革命的得力的工具。