智能控制 复习资料之第三章专家系统

@ZHANGQIANYI2020

工程专业)

一、专家系统的基本概念

1. 专家系统的定义与一般结构

（1）专家系统的定义
专家系统是个智能计 算机程序系统，其内部含有大量的某个领城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的问题，以人类专家的水平完成特别困难的某专业领域的任务。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。
（2）基于知识的专家系统
专家系统是广泛应用专门知识以解决人类专家水平问题的人工智能的一个分支。 专家系统有时又称为基于知识的系统或基于知识的专家系统。
（3）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。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定。
（a）简化专家系统结构图

（a）理想专家系统结构图

（4）专家系统的主要组成部分
（a）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。为了建立知识库，要解决知识获取和知识表示问题。知识获取涉及知识工程师(Konwledge Engineer)如何从专家那里获得专门知识的问题:知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识的问题。
（b）综合数据库(Global Database)。
综合数据库又称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据(信息)，即被处理对象的一些当前事实。
（c）推理机(Reasoning Machine)。
推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。
（d）解释器(Explanator)。
解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其他候选解的原因。
（e） 接口(Interface)。
接口又称界面，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等。系统则通过接口要求用户回答提问，并回答用户提出的问题，进行必要的解释。
（5）专家系统的建造步骤
（a）设计初始知识库。知识库的设计是建立专家系统先最重要和最艰巨的任务。设计包括:
A.问题知识化：即辨别所研究问题的实质，如要解决的任务是什么，它是如何定义的，可否把它分解为子问题或子任务，它包含哪些典型数据等等。
B.知识概念化：即概括知识表示所需要的关键概念及其关系，如数据类型、已知条件（状态）和目标（状态）、提出的假设以及控制策略等。
C.概念形式化：即确定用来组织知识的数据结构形式，应用人工智能中的各种知识表示方法把与概念化过程有关的关键概念、子问题及信息流特性等变换为比较正式的表达，它包括假设空间、过程模型和数据特性等。
D.形式规则化：即编制规则、把形式化了的知识变换为由编程语言表示的可供计算机执行的语句和程序。
E.规则合法化，即确认规则化了的知识的合理性，检验规则的有效性。
（b）原型机(Prototype)的开发与试验。在选定知识表达方法之后，即可着手建立整个系统所需要的实验子集，它包括整个模型的典型知识，而且只沙及与试验有关的足够简单的任务和推理过程。
（c）知识库的改进与归纳。反复对知识库及推理规则进行改进试验，归纳出更完善的结果。经过相当长时间 (例如数月至两三年)的努力，使系统在一定范围内达到人类专家的水平。

二、专家系统的主要类型及其结构

1. 基于规则的专家系统

（1）基于规则专家系统的工作模型
（a）知识库：以一套规则建立人的长期存储器模型。
（b）工作存储器：建立人的短期存储器模型，存放问题事实和由规则激发而推断出的新事实。
（c）推理机：借助于把存放在工作存储器内的问题事实和存放在知识库内的规则结合起来，建立人的推理模型，以推断出新的信息。
基于规则的专家系统不需要一个 人类问题求解的精确匹配，而能够通过计算机提供一个复制问题求解的合理模型。

（2）基于规则专家系统的结构
（a）用户界面(接口)：用户通过该界面来观察系统，并与系统对话(交互)。
（b）开发(者)界面：知识工程师通过该界面对专家系统进行开发。
（c）解释器：对系统的推理提供解释。
（d）外部程序：如数据库、扩展盘和算法等，对专家系统的工作起支持作用。

2. 基于框架的专家系统

（1）面向目标编程与基于框架设计
（2）基于框架专家系统的结构

3. 基于模型的专家系统

（1）基于模型专家系统的提出
（2）基于神经网络的专家系统

三、专家控制系统的类型与结构

1. 专家系统与专家控制系统的区别

（1） 专家系统只对专门领域的问题完成咨询作用，协助用户进行工作。专家系统的推理是以知识为基础的，其推理结果为知识项、新知识项或对原知识项的变更知识项。然而，专家控制系统需要独立和自动地对控制作用做出决策，其推理结果可为变更的知识项，或者为启动(执行)某些解析算法。
（2）专家系统通常以离线方式工作，而专家控制系统需要获取在线动态信息，并对系统进行实时控制。实时要求会遇到下列一些难题:非单调推理、异步事件、基于时间的推理，以及其他实时问题。

2. 专家控制系统的控制要求与设计原理

（1）专家控制系统的控制要求
（a）运行可靠性高
（b）决策能力强
（c）应用通用性好
（d）控制与处理的灵活性
（e）拟人能力
（2）专家控制系统的设计原理
（a）模型描述的多样性
（b）在线处理的灵巧性
（c）控制策略的灵活性
（d）决策机构的递阶性
（e）推理与决策的实时性
（3）专家控制系统的结构

（4）专家控制系统的类型
（a）直接专家控制系统
（b）间接专家控制系统

四、专家控制系统应用举例

1. 实时控制系统

2. 高炉监控专家系统

3. 监控专家系统开发过程