人工智能专家系统课程教案.docx

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1、人工智能专家系统课程教案教学内容：本章主要介绍专家系统的定义、结构、特点和类型，分析了基于规则的专家系统、基于框架的专家系统和基于模型的专家系统，归纳了协同式和分布式等新型专家系统，并结合实例介绍了专家系统的设计方法和开发工具。教学重点：专家系统的特点、专家系统的类型、专家系统的设计等。教学难点：专家系统的设计。教学方法：课堂教学为主。注意结合学生前面所学的人工智能原理、知识的表示等内容，及时提问加深学生对基本原理和概念以及专家系统开发设计等的理解。利用网络课程中的相关内容，协助对抽象概念的理解。教学要求：重点掌握专家系统的基本概念和设计，掌握基于规则、基于模型、基于框架的专家系统，了解新型专

2、家系统的一些概念和类型，一般了解专家系统的开发工具以及评价方法。1专家系统概述教学内容：本小节讨论专家系统的一些基本概念，介绍专家系统的定义、结构、特点和类型。本小节内容是本章的一个重点，是深入学习讨论专家系统的基础。教学重点：专家系统的定义、专家系统的结构、专家系统的一般特点、各类专家系统的任务和特点。教学难点：专家系统的结构与建造步骤。教学方法：主要通过课堂教学，讲解各种基本概念和系统结构，归纳专家系统的一般特点，分析各类专家系统的任务、特点并进行举例教学要求：重点掌握专家系统的定义与基本结构，掌握专家系统的特点，了解专家系统的类型1.1专家系统的特点1、定义专家系统是一个含有大量的某个领

3、域专家水平的知识与经验智能计算机程序系统，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。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、专家系统特点启发性：专家系统能运用专家的知识与经验进行推理、判断和决策。透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能够了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。灵活性：专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。3、专家系统的优点具体地说，包括下列八个方面：(1)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。(2)专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。(3)可以使专

4、家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。(4)专家系统能促进各领域的发展。(5)专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力。(6)军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一。(7)专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。(8)研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。1.2专家系统的类型1、解释专家系统任务通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情况特点数据量很大，常不准确、有错误、不完全能从不完全的信息中得出解释，并能对数据做出某些假设，推理过程可能很复杂和很长例子语音理解、图象分析、系统监视、化学结构分析和信号

5、解释等。2、预测专家系统任务通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的涵义。特点系统处理的数据随时间变化，且可能是不准确和不完全，系统需要有适应时间变化的动态模型例子有气象预报、军事预测、人口预测、交通预测、经济预测和谷物产量预测等3、诊断专家系统任务根据观察到的情况（数据）来推断出某个对象机能失常（即故障）的原因特点能够了解被诊断对象或客体各组成部分的特性以及它们之间的联系，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例子医疗诊断、电子机械和软件故障诊断以及材料失效诊断等。4、设计专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步

6、骤。特点从多种约束中得到符合要求的设计；系统需要检索较大的可能解空间；能试验性地构造出可能设计；易于修改；能够使用已有设计来解释当前新的设计。例子VAX计算机结构设计专家系统等。5、规划专家系统任务寻找出某个能够达到给定目标的动作序列或步骤。特点所要规划的目标可能是动态的或静态的，需要对未来动作做出预测，所涉及的问题可能很复杂。例子军事指挥调度系统、ROPES机器人规划专家系统、汽车和火车运行调度专家系统等。6、监视专家系统任务对系统、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。特点系统具有快速反应能力，发出的警报要有很高的准确性，能够动

7、态地处理其输入信息。例子粘虫测报专家系统。7、控制专家系统任务自适应地管理一个受控对象或客体的全面行为，使之满足预期要求。特点控制专家系统具有解释、预报、诊断、规划和执行等多种功能。例子空中交通管制、商业管理、自主机器人控制、作战管理、生产过程控制和质量控制等。8、调试专家系统任务对失灵的对象给出处理意见和方法。特点同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。例子在这方面的实例还比较少见。9、教学专家系统任务教学专家系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导。特点(1)同时具有诊断和调试等功能。(2)具有良好的人机界面。例子MACSYMA符号积

8、分与定理证明系统，计算机程序设计语言和物理智能计算机辅助教学系统以及聋哑人语言训练专家系统等。10、修理专家系统任务对发生故障的对象(系统或设备)进行处理，使其恢复正常工作。修理专家系统具有诊断、调试、计划和执行等功能。例子美国贝尔实验室的AC1电话和有线电视维护修理系统。习题：1 .能根据学生的特点、弱点和基础知识，以最适当的教案和教学方法对学生进行教学和辅导的专家系统是：A.解释专家系统B.调试专家系统C.监视专家系统D.教学专家系统答案：D.2 .用于寻找出某个能够达到给定目标而动很序列或步骤的专家系统是：A.设计专家系统B.诊断专家系统C.预测专家系统D.规划专家系统答案：D.3 .能

9、对发生故障的对象(系统或设备),进彳亍处理，使其恢复正常工作的专家系统是：A.修理专家系统B.诊断专家系统C.调试专家系统D.规划专家系统答案：A.4 .能通过对过去和现在已知状况的分断未来可能发生的情况的专家系统是：A.修理专家系统B.预测专家系统C.调试专家系统D.规划专家系统答案：B.Z此外，还有决策专家系统和咨询专家系统等。1.3专家系统的结构和建造步骤1、专家系统的简化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。图1表示专家系统的简化结构图

10、。图1专家系统简化结构图图2理想专家系统的结构图2、理想专家系统的结构如图2所示。由于每个专家系统所需要完成的任务和特点不相同，其系统结构也不尽相同，一般只具有图中部分模块。接口是人与系统进行信息交流的媒介，它为用户提供了直观方便的交互作用手段。黑板是用来记录系统推理过程中用到的控制信息、中间假设和中间结果的数据库。它包括计划、议程和中间解3部分。知识库包括两部分内容。一部分是已知的同当前问题有关的数据信息；另一部分是进行推理时要用到的一般知识和领域知识。提问：己学过的知识表示的方法有那些？调度器按照系统建造者所给的控制知识，从议程中选择一个项作为系统下一步要执行的动作。执行器应用知识库中的及

11、黑板中记录的信息，执行调度器所选定的动作。协调器的主要作用就是当得到新数据或新假设时，对已得到的结果进行修正，以保持结果前后的一致性。解释器的功能是向用户解释系统的行为，包括解释结论的正确性及系统输出其它候选解的原因。3、一般应用程序与专家系统的区别前者把问题求解的知识隐含地编入程序，而后者提问：1专家系统的定义？2专家系统程序与常规的应用程序之间有何不同呢？r则把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知识库。知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的。更明确地说，一般应用程序把知识组织为两级：数据级和程序级；大多数专家系统则将知识组织成三级；数据、知识库和控制。4、专家系统的建造

12、步骤图3专家系统的建造步骤参见图3,建立系统的一般步骤如卜：(1)设计初始知识库，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。（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

13、言表示的可供计算机执行的语句和程序。（e）规则合法化，即确认规则化了知识的合理性，检验规则的有效性。（2）原型机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，而且只涉及与试验有关的足够简单的任务和推理过程。（3）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（例如数月至二、三年）的努力，使系统在一定范围内达到人类专家的水平。2基于规则的专家系统教学内容：本小节介绍基于规则的专家系统。教学重点：基于规则专家系统的工作模型和结构。教学难点：基于规则专家系统的工作模型。教学方法：课堂讲解。教学要求：掌握基

14、于规则的专家系统的工作原理。1、基于规则专家系统的工作模型基于规则的专家系统是个计算机程序，该程序使用一套包含在知识库内的规则对工作存储器内的具体问题信息（事实）进行处理，通过推理机推断出新的信息。其工作模型如图4所示。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一个基于规则专家系统的完整结构示于图5。其中，知识库、推理机和工作存储器是构成本专家系统的核心。系统的主要部分是知识库和推理引擎。根据到目前为止讨论的推理系统，知识库由谓词演算事实和有关讨论主题的规则构成。推理引擎由所有操纵知识库来演绎用户要求的信息的过

15、程构成一如消解、前向链或反向链。用户接口可能包括某种自然语言处理系统，它允许用户用一个有限的自然语言形式与系统交互。也可是用带有菜单的图形接口界面。解释子系统分析被系统执行的推理结构，并把它解释给用户。3基于框架的专家系统教学内容：本小节介绍基于框架的专家系统。教学重点：面向目标编程与基于框架设计，基于框架专家系统的结构和一般设计方法。教学难点：基于框架专家系统的结构。教学方法：课堂教学。教学要求：掌握基于框架专家系统的结构。1、面向目标编程与基于框架设计基于框架的专家系统建立在框架的基础之上，采用面向目标编程技术，框架的设计和面向目标的编程共享许多特征。在设计基于框架系统时，专家系统的设计者们把目标叫做框架。2、基于框架专家系统的结构基于框架的专家系统是个计算机程序，该程序使用一组包含在知识库内的框架对工作存储器内的具体问题信息进行处理，通过推理机推断出新的信息。这里采用框架而不是采用规则来表示知识。为了说明设计和表示框架中的某些知识值，让我们考虑图6所示的人类框架结构。类、子类和例子（物体）用于表示对基于框架系统的组织。3、基于框架专家系统的一般设计方法