第二章 專家系統(tǒng)
2.1人工智能與專家系統(tǒng)
人工智能是一門新興的技術(shù)科學(xué)，它研究人類思維過程的計(jì)算機(jī)模擬，研究如何用人工的方法和技術(shù)，即利用計(jì)算機(jī)或智能機(jī)，通過符號系統(tǒng)和信息處理，模仿、延伸和擴(kuò)展人的智能，實(shí)現(xiàn)腦力勞動(dòng)自動(dòng)化。
總括起來，人工智能（從感知、思維、行為三方面）包括：
·知識獲�。簷C(jī)器視覺、聽覺；
·知識處理：知識表達(dá)、積累、推理和處理；
·知識運(yùn)行：智能機(jī)器。
專家系統(tǒng)是AI的一個(gè)應(yīng)用分支，它繼承和應(yīng)用了AI各領(lǐng)域研究的許多基本思想和基本技術(shù)。如啟發(fā)方式，符號推理，知識表達(dá)技術(shù)等。但是，專家系統(tǒng)自六十年代中期產(chǎn)生以來，從AI領(lǐng)域中脫穎而出，從范例，工具到系統(tǒng)開發(fā)策略都形成了一套與從其它分支（如機(jī)器視、聽覺，智能機(jī)器，機(jī)器人等）所不同的體系，它代表著AI的主要研究方向。
（1）專家系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)領(lǐng)域的專家知識，即處理人類專家解決的高難度問題；
（2）專家系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)專門領(lǐng)域何題的求解策略，而并術(shù)重視獨(dú)立于領(lǐng)域部題的通用求解技術(shù)。
（3）專家系統(tǒng)能夠解釋系統(tǒng)求解結(jié)論，提高了系統(tǒng)的可接受性。
2.2專家系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)計(jì)
人工智能技術(shù)的日趨成熟和專家系統(tǒng)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，也引起了國內(nèi)外機(jī)城工程界
的極大關(guān)注,并已引用在機(jī)械系統(tǒng)故障診斷，模擬仿真，自動(dòng)控制，工藝編程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面。與專家系統(tǒng)應(yīng)用的比較成熟的領(lǐng)域（例如診斷、化學(xué)分析等）不同，機(jī)械設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)有獨(dú)自的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
(1)設(shè)計(jì)過程中，滿足設(shè)計(jì)條件的設(shè)計(jì)方案有時(shí)不是唯一的，需要即時(shí)開發(fā)不同的設(shè)計(jì)方案；
(2)設(shè)計(jì)的約束來自許多實(shí)際的條件，通常沒有一個(gè)成熟的模型把諸多的約束條件同設(shè)計(jì)選擇綜合起來；
(3)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，由于其復(fù)雜性和計(jì)算機(jī)資源的限制，一般需要整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，而通常情況下，子系統(tǒng)間不完全獨(dú)立，使專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化；
(4)修改設(shè)計(jì)的局部內(nèi)容時(shí)，要考慮局部內(nèi)容對全局的影響；
(5)通常情況下，機(jī)械產(chǎn)品作為一個(gè)整體，各種因素互相關(guān)聯(lián)，使設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化過程變得極為復(fù)雜，難于進(jìn)行；
(6)設(shè)計(jì)過程中，有時(shí)設(shè)計(jì)方案的確定需要進(jìn)行反復(fù)多次的過程，專家系統(tǒng)對這種情況必須進(jìn)行處理；
(7)設(shè)計(jì)過程中，推理過程和大量的科學(xué)計(jì)算、數(shù)值處理交織在一起；
(8)需要處理空間的三維實(shí)體零件，因而要求具有相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)資源，
(9)機(jī)械設(shè)計(jì)離不開圖形，因而專家系統(tǒng)必須具有繪圖的能力，
(10)機(jī)械產(chǎn)品各種各樣，使用的知識千差萬別，沒有統(tǒng)一的模式。
2.3 專家系統(tǒng)發(fā)展概況
國外專家系統(tǒng)的研制自六十年代末開始，發(fā)展十分迅速。專家系統(tǒng)較為廣泛地運(yùn)用在診斷、規(guī)劃、監(jiān)視、設(shè)計(jì)、咨詢、教學(xué)、預(yù)測及決策等方面。已開發(fā)并投入使用的專家系統(tǒng)，例如，化學(xué)分析專家DENDRAL，數(shù)學(xué)專家MACSYMA，醫(yī)學(xué)診斷專家MYCIN , 探礦專家PROSPECTOR，生物專家MOLGEN，材料結(jié)構(gòu)專家SACON，機(jī)械設(shè)計(jì)專家R1，語音理解專家HEARSAY-I等卓有成效地工作在各自的領(lǐng)域，其中有些專家系統(tǒng)在某些方面已經(jīng)超過人類專家的水平。
國專家系統(tǒng)的研制起步較晚，但從八十年代初以來，也有不少專家系統(tǒng)問世。例如，西安交通大學(xué)的“兒科常見病專家系統(tǒng)”機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)（XJOCAP），浙江大學(xué)的挖土機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，沈陽自動(dòng)化所的機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)和數(shù)控代碼生成專家系統(tǒng)以及獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)的氣象預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)IMFOS等。
機(jī)械設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)由于其復(fù)雜性，較通用的專家系統(tǒng)難于問世，較成熟專家系統(tǒng)還比較少。雖然研制了許多實(shí)驗(yàn)型專家系統(tǒng)，如用于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)三角皮帶傳動(dòng)的專家系統(tǒng)VEXPRT，彈簧設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)AISPCAD等，但迄今為止，比較成功的機(jī)械設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)是美國DEC公司乾地VAX計(jì)算機(jī)的外形及結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)總體配制專家系統(tǒng)R1（或XCOM),R1的知識庫包括CAX的部件特征及根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)確定何時(shí)移向一子任務(wù)的規(guī)則和完成各子任務(wù)的規(guī)則其控制結(jié)構(gòu)為無回溯的數(shù)據(jù)驅(qū)，該公司外銷的VAX機(jī)都是由該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，每年可創(chuàng)幾千萬美元的經(jīng)濟(jì)效益。
2.4 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
專家系統(tǒng)通常有知識庫、上下文（context）——或稱動(dòng)態(tài)（當(dāng)前）教據(jù)庫、推理機(jī)、知識獲取機(jī)制、解釋機(jī)制、人機(jī)接口，對于機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)來說，還有相應(yīng)的繪圖系統(tǒng)，以及實(shí)現(xiàn)調(diào)用產(chǎn)品性能分析、優(yōu)化設(shè)什軟件包的與其它高級語言的接口。專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2-l，其各自的功能分別為：
1.知識庫：用于存儲領(lǐng)域的專門知識。專家系統(tǒng)的問題求解是應(yīng)用專家提供的專門知識來模擬專家的思維方式進(jìn)行的，知識是領(lǐng)域?qū)＜议L期經(jīng)驗(yàn)的積累，是特定的思維方式的反映，決定一個(gè)專家系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，故知識采集及其文本的形成是建造專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作。本文所采用的專象系統(tǒng)文本是在西重所王培便高級工程師（研究員級）領(lǐng)導(dǎo)下完成的，為圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。在此，作者對王培便高級工程師表示衷心的感謝。知識庫的工作，基本上有兩個(gè)方面：一是知識的提煉，形式化過程；另一方面是知識的計(jì)算機(jī)表達(dá)問題。
2.上下文：反映具體問題在當(dāng)前求解狀態(tài)下的信息集合，它由問題的有關(guān)初始已知條件和系統(tǒng)求解期間所產(chǎn)生的所有事實(shí)所組成。
3.推理機(jī)：是一種知識人選擇和應(yīng)的控制策略。它根據(jù)上下文的信息，識別選取知識庫中可用的知識進(jìn)行推理，修改、擴(kuò)充上下文直至形成最終解。
4.解釋機(jī)制：回答用戶提出的問題，對系統(tǒng)結(jié)論的求解過程或系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)提供說明。
5.知識獲取機(jī)制：實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能。分兩種形式：人工傳授和機(jī)器自學(xué)習(xí)。
6.人機(jī)接口：完成計(jì)算機(jī)與專家或用戶的相互通訊過程。
7.繪圖機(jī)制（或稱繪圖子系統(tǒng)）：完成設(shè)計(jì)結(jié)果的圖形轉(zhuǎn)化過程。
8.高級語言接口：同其它高級語言的連接，調(diào)用CAD軟件包。
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