农业信息技术chapter7农业专家系统

农业信息技术第七章农业专家系统3专家系统技术概述农业专家系统概述农业专家系统研究示例作物管理知识模型农业决策支持系统第一节专家系统技术概述一、人工智能与专家系统二、专家系统基本原理三、专家系统基本结构四、知识表示技术五、推理策略六、知识获取技术七、专家系统开发工具一、人工智能与专家系统（一）人工智能的概念人工智能（artificialintelligence，AI）是指研究人类智能活动的规律，利用计算机构造一个人工系统来模拟人类思考问题，使计算机具有人类智能行为，以实现人类脑力劳动自动化的技术。智能机器(intelligentmachine)是能够在各类环境中自主地或交互地执行各种拟人任务的机器，具有判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。第一节专家系统技术概述一、人工智能与专家系统（一）人工智能的概念人工智能是用计算机模拟人的智能，通常是通过知识处理把人的各种思维和智能转化为符号的表示、推理、搜索、学习等方式。启发性、模糊性知识，搜索推理和不确定性推理，以及机器学习是人工智能研究的重要内容。知识表示、问题求解、自然语言理解、专家系统、机器学习、认知科学等是人工智能的重要研究分支。第一节专家系统技术概述一、人工智能与专家系统（一）人工智能的概念研制各类自然语言处理系统，利用计算机来分析人的自然语言表达，帮助进行翻译和实现人机自然语言对话人工智能研究进展较大的三应用分支机器人专家系统自然语言理解再现人的感觉、操作和行动，从事复杂作业，可在一些有害、危险和繁重、疲劳性劳动场合来代替人去完成作业，如焊接、搬运、装配、水下与地下作业等一个智能计算机程序系统，具有专业知识并能通过推理和判断来解决问题，可代替人类专家进行疾病诊断、数学公式推导、化学结构分析等方面的复杂工作第一节专家系统技术概述一、人工智能与专家系统（二）专家系统的概念①它是一个智能程序；②它具有相关领域内大量的专家知识；③它能应用人工智能技术模拟人类专家求解问题的思维过程进行推理，解决相关领域内的困难问题，并且达到领域专家水平。-----费根鲍姆(EdwardFeigenbaum)教授（斯坦福大学，“专家系统和知识工程之父”）第一节专家系统技术概述一、人工智能与专家系统（二）专家系统的概念专家系统（ExpertSystem，ES）就是一种在相关领域中具有与人类专家同等解决问题能力的智能程序系统，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的复杂问题。也就是说，专家系统是指在特定的领域内，根据某一专家或专家群体提供的知识、经验及方法进行推理和判断，模拟人类专家做决定的过程，来解决那些需要人类专家决定的复杂问题，提出专家水平的解决方法或决策方案的计算机程序系统。专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测、诊断、设计、规划、监视、修理、指导和控制等。第一节专家系统技术概述一、人工智能与专家系统（二）专家系统的概念在医疗诊断、机械制造、企业管理、经济分析、环境控制、水文及地质调查、军事指挥、农业生产等多个领域已有广泛应用，发挥着解释、预测、诊断、设计、计划、监控、调试、修理、教学和控制等方面的作用。专家系统来自于专家，但又高于专家，是专家技能和知识的集成和综合。数量专家知识保留判断分析能力获得专家知识的时间成本应用人类专家数量稀少非永久性易受情绪和环境的影响较长较高广泛利用受到限制专家系统易于复制和转换永久性不受环境影响较短价格相对便宜很大程度上代替领域专家第一节专家系统技术概述一、人工智能与专家系统（三）专家系统的类型-----应用领域的性质和解决的问题类型不同诊断专家系统预测专家系统解释专家系统设计专家系统规划专家系统监视专家系统控制专家系统咨询专家系统教学专家系统调试与修理专家系统第一节专家系统技术概述二、专家系统基本原理（一）专家系统与知识工程专家系统的知识表示技术问题求解技术推理知识人工智能的两大要素技术基础专家系统与一般人工智能系统又有所区别。其最重要的特征是它的研究对象不是普通人的智能，而是某个领域具有技术特长的专家在解决问题时的本领。第一节专家系统技术概述二、专家系统基本原理（一）专家系统与知识工程专家系统的核心是知识，所以专家系统又被称为基于知识的系统（Knowledge-BasedSystem）。在专家系统中，把通常的数据、公式、方法、经验以及信息等均看作知识。通常把所选择的专家称为领域专家。把建造专家系统的计算机技术人员称为知识工程师。专家系统的建造过程通常称为知识工程。第一节专家系统技术概述专家系统的关键技术知识获取知识表示知识运用二、专家系统基本原理（一）专家系统与知识工程第一节专家系统技术概述研究如何从领域专家的口述或文字、书本资料或数据实例中抽取出该专家系统所需要的知识是研究如何将领域知识和专家经验等有效地表示成计算机能够工作和运行的形式研究如何对存放在知识库中的知识进行控制和操作，即问题求解，通常采用的方法是搜索和推理二、专家系统基本原理（二）专家系统基本特征第一节专家系统技术概述1.具有专家水平的专门知识2.能进行有效的推理3.具有获取知识的能力4.具有灵活性5.具有透明性6.具有交互性7.具有实用性8.具有一定的复杂性及难度二、专家系统基本原理（三）专家系统与计算机程序的区别第一节专家系统技术概述常规的计算机程序专家系统基本情况常规程序＝数据结构十算法专家系统＝知识十推理知识组织两级：数据级和程序级三级：数据级、知识库级和控制级求取问题方法查找或计算，面向数值计算和数据处理，问题求解过程中先做什么及后做什么都是由程序规定的推理，面向符号处理，其推理过程随着情况的变化而变化，具有不确定性及灵活性处理的数据多是精确的，对数据的检索是基于模式的布尔匹配大多是不精确的、模糊的，知识的模式匹配也多不精确（设定阈值）解释功能一般不具有具有，可对自己的行为做出解释体系结构不同三、专家系统基本结构第一节专家系统技术概述专家系统的一般结构三、专家系统基本结构第一节专家系统技术概述专家系统的一般结构系统通过它输出运行结果、回答用户的询问或者向用户索取进一步的事实由一组程序及相应的硬件组成，用于完成输入输出工作。通过它输入知识，更新、完善知识库通过它输入欲求解的问题、已知事实以及向系统提出询问三、专家系统基本结构第一节专家系统技术概述专家系统的一般结构由一组程序组成，基本任务是把知识输入到知识库中，并负责维持知识的一致性及完整性，建立起性能良好的知识库。三、专家系统基本结构第一节专家系统技术概述专家系统的一般结构存储领域内的原理性知识、专家的经验性知识以及有关的事实等负责对知识库中的知识进行组织、检索、维护等三、专家系统基本结构第一节专家系统技术概述专家系统的一般结构推理机是专家系统的“思维”机构（核心）。任务是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。能根据当前已知事实，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，求得问题的答案或证明某个假设的正确性。三、专家系统基本结构第一节专家系统技术概述专家系统的一般结构用于存放用户提供的初始事实、问题描述以及系统运行过程中得到的中间结果、最终结果、运行信息等的工作存储器数据库又称为“黑板”、“综合数据库”。三、专家系统基本结构第一节专家系统技术概述专家系统的一般结构对自己的行为做出解释，回答用户提出的“为什么？”、“结论是如何得出的？”等问题四、知识表示技术第一节专家系统技术概述知识是专家系统的核心，将人的知识转换为知识库能够表达和操作运用的知识，表示技术则是专家系统的核心技术。人类之间互相交往都是用自然语言形式描述和表达。要让计算机来理解和推理，就必须将自然语言知识形式化，变成计算机能使用的形式。所谓知识表示即如何形式化的表示知识。四、知识表示技术第一节专家系统技术概述知识具体描述事实知识以“„是„”形式描述有关事物属性的静态知识规则知识以“如果„那么„”形式描述事物因果关系的动态知识控制知识有关问题求解步骤的技巧知识元知识有关知识的知识，包括怎样使用规则、解释规则、校验规则、解释程序结构等知识从知识库观点看，知识是某论域中所涉及的各有关方面、状态的一种符号表示。知识可从范围、目的、有效性三方面加以三维描述。其中知识的范围是由具体到一般知识的目的是由说明到指定知识的有效性是由确定到不确定四、知识表示技术第一节专家系统技术概述知识表示是研究利用计算机表示知识的可行性、有效性的一般方法，是一种数据结构与控制结构的统一体，既考虑知识的存储又考虑知识的使用。知识表示可看成是一组描述事物的约定，以便把人类知识表示成计算机能够处理的数据结构。知识表示的方法十分重要，通常一个专家系统是基于某种类型的知识表示方法设计的，同时一个专家系统表达知识的方式影响着系统的开发、效率、速度和维护。每一种知识表示方法都有其适用性。当前已提出的知识表示技术方法有上百种，包括产生式规则、语义网络、框架、脚本以及知识表示语言等。四、知识表示技术第一节专家系统技术概述1.产生式规则法2.“框架”表示法3.语义网络法4.面向对象表示法5.面向智能体表示法6.“规则架＋规则体”规则组法7.综合知识体法8.加权模糊逻辑产生式规则法9.人工智能语言五、推理策略第一节专家系统技术概述推理机是专家系统的控制部分，也称为控制程序。而它的控制方式是推理策略或者叫推理机制。每个专家系统实际上有一个完备的推理网络图。推理网络图由若干节点和这些节点之间相连结的弧线组成。在一个推理网络图中，节点分为目标节点、叶节点和中间节点。目标节点是该系统的最终的求解目标叶节点是向用户提问的因素中间节点是在叶节点向目标节点推理路上反映有关关系的节点五、推理策略第一节专家系统技术概述1.反向推理2.正向推理3.混合推理4.不确定性推理5.非单调推理6.定性推理7.常识推理8.基于案例推理“假设-测试”的策略（目标节点→叶节点）以事实或数据驱动（叶节点→目标节点）正向推理与反向推理配合进行概率推理、模糊推理等六、知识获取技术第一节专家系统技术概述（一）知识获取的任务1.抽取知识2.知识的转换3.知识的输入4.知识的检测六、知识获取技术第一节专家系统技术概述（二）知识获取方式1.非自动知识获取2.自动知识获取七、专家系统开发工具第一节专家系统技术概述1.语言型开发工具2.骨架型开发工具3.构造辅助工具4.支撑环境专家系统语言，如Prolog、CLIPS等普通的编程语言，如LISP、C和C++借用开发好的专家系统，只保留其独立于问题领域知识的推理机部分设计辅助工具（设计正在构造的专家系统的结构）知识获取辅助工具（获得和表达领域专家的知识）调试辅助工具输入输出设备解释设备知识库编辑器附带的软件包------典型组件七、专家系统开发工具第一节专家系统技术概述国内外业已研制出了多种专家系统开发工具，可作为专家系统开发平台如国外著名的专家系统开发工具有CALLEX、SELECT、PALMS、MICCS、INSIGHT2+、LEVEL5、VP-Expert、AQ15、AE15等；基于Windows平台和网络环境运行开发平台EXSYS，是运用最广泛的专家系统开发工具北京农业信息技术研究中心研发的可定制、可组装的构件化通用农业专家系统开发平台PAID，包括单机版、网络版、英文版、多媒体版、跨平台版和嵌入式版等6种版本，有效地支持了100多种应用框架和300多个专家系统开发，在全国28个省市区和东南亚部分国家得到推广应用七、专家系统开发工具第一节专家系统技术概述中国科学院合肥智能机械研究所开发研制的基于软结构的专家系统开发平台——雄风6.0，其结构由知识库检验、知识库运行、ODBC数据库服务、网络信息获取等软构件组成专家系统开发平台——雄风6.0基本结构框图第二节农业专家系统概述农业专家系统也叫农业智能系统（agriculturalintelligent-system），俗称电脑农业专家，是基于农业专家知识和模仿农业专家进行推理决策的