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科學，它研究人類思維過程的計算機模擬，研究如何用人工的方法和技術，即利用計算機或智能機，通過符號系統(tǒng)和信息處理，模仿、延伸和擴展人的智能，實現(xiàn)腦力勞動自動化。
總括起來，人工智能（從感知、思維、行為三方面）包括：
·知識獲取：機器視覺、聽覺；
·知識處理：知識表達、積累、推理和處理；
·知識運行：智能機器。
專家系統(tǒng)是AI的一個應用分支，它繼承和應用了AI各領域研究的許多基本思想和基本技術。如啟發(fā)方式，符號推理，知識表達技術等。但是，專家系統(tǒng)自六十年代中期產生以來，從AI領域中脫穎而出，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（如機器視、聽覺，智能機器，機器人等）所不同的體系，它代表著AI的主要研究方向。
（1）專家系統(tǒng)強調領域的專家知識，即處理人類專家解決的高難度問題；
（2）專家系統(tǒng)強調專門領域何題的求解策略，而并術重視獨立于領域部題的通用求解技術。
（3）專家系統(tǒng)能夠解釋系統(tǒng)求解結論，提高了系統(tǒng)的可接受性。
2.2專家系統(tǒng)與機械設計
人工智能技術的日趨成熟和專家系統(tǒng)的迅速發(fā)展和應用，也引起了國內外機城工程界
的極大關注,并已引用在機械系統(tǒng)故障診斷，模擬仿真，自動控制，工藝編程，產品設計等方面。與專家系統(tǒng)應用的比較成熟的領域（例如診斷、化學分析等）不同，機械設計專家系統(tǒng)有獨自的特點，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
(1)設計過程中，滿足設計條件的設計方案有時不是唯一的，需要即時開發(fā)不同的設計方案；
(2)設計的約束來自許多實際的條件，通常沒有一個成熟的模型把諸多的約束條件同設計選擇綜合起來；
(3)產品的設計過程，由于其復雜性和計算機資源的限制，一般需要整個產品設計分解為若干個子系統(tǒng)，而通常情況下，子系統(tǒng)間不完全獨立，使專家系統(tǒng)的設計復雜化；
(4)修改設計的局部內容時，要考慮局部內容對全局的影響；
(5)通常情況下，機械產品作為一個整體，各種因素互相關聯(lián)，使設計方案的優(yōu)化過程變得極為復雜，難于進行；
(6)設計過程中，有時設計方案的確定需要進行反復多次的過程，專家系統(tǒng)對這種情況必須進行處理；
(7)設計過程中，推理過程和大量的科學計算、數(shù)值處理交織在一起；
(8)需要處理空間的三維實體零件，因而要求具有相當?shù)挠嬎銠C資源，
(9)機械設計離不開圖形，因而專家系統(tǒng)必須具有繪圖的能力，
(10)機械產品各種各樣，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)較為廣泛地運用在診斷、規(guī)劃、監(jiān)視、設計、咨詢、教學、預測及決策等方面。已開發(fā)并投入使用的專家系統(tǒng)，例如，化學分析專家DENDRAL，數(shù)學專家MACSYMA，醫(yī)學診斷專家MYCIN , 探礦專家PROSPECTOR，生物專家MOLGEN，材料結構專家SACON，機械設計專家R1，語音理解專家HEARSAY-I等卓有成效地工作在各自的領域，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，西安交通大學的“兒科常見病專家系統(tǒng)”機械加工工藝設計專家系統(tǒng)（XJOCAP），浙江大學的挖土機總體結構設計專家系統(tǒng)，沈陽自動化所的機械加工工藝設計專家系統(tǒng)和數(shù)控代碼生成專家系統(tǒng)以及獲國家科學技術進步獎的氣象預報專家系統(tǒng)IMFOS等。
機械設計專家系統(tǒng)由于其復雜性，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。雖然研制了許多實驗型專家系統(tǒng)，如用于設計標準三角皮帶傳動的專家系統(tǒng)VEXPRT，彈簧設計專家系統(tǒng)AISPCAD等，但迄今為止，比較成功的機械設計專家系統(tǒng)是美國DEC公司乾地VAX計算機的外形及結構的計算機總體配制專家系統(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)確定何時移向一子任務的規(guī)則和完成各子任務的規(guī)則其控制結構為無回溯的數(shù)據(jù)驅，該公司外銷的VAX機都是由該系統(tǒng)設計的，每年可創(chuàng)幾千萬美元的經(jīng)濟效益。
2.4 專家系統(tǒng)的基本結構
專家系統(tǒng)通常有知識庫、上下文（context）——或稱動態(tài)（當前）教據(jù)庫、推理機、知識獲取機制、解釋機制、人機接口，對于機械設計系統(tǒng)來說，還有相應的繪圖系統(tǒng)，以及實現(xiàn)調用產品性能分析、優(yōu)化設什軟件包的與其它高級語言的接口。專家系統(tǒng)結構見圖2-l，其各自的功能分別為：
1.知識庫：用于存儲領域的專門知識。專家系統(tǒng)的問題求解是應用專家提供的專門知識來模擬專家的思維方式進行的，知識是領域專家長期經(jīng)驗的積累，是特定的思維方式的反映，決定一個專家系統(tǒng)性能的關鍵因素，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）領導下完成的，為圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設計奠定了良好的基礎。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，基本上有兩個方面：一是知識的提煉，形式化過程；另一方面是知識的計算機表達問題。
2.上下文：反映具體問題在當前求解狀態(tài)下的信息集合，它由問題的有關初始已知條件和系統(tǒng)求解期間所產生的所有事實所組成。
3.推理機：是一種知識人選擇和應的控制策略。它根據(jù)上下文的信息，識別選取知識庫中可用的知識進行推理，修改、擴充上下文直至形成最終解。
4.解釋機制：回答用戶提出的問題，對系統(tǒng)結論的求解過程或系統(tǒng)的當前狀態(tài)提供說明。
5.知識獲取機制：實現(xiàn)專家系統(tǒng)的學習功能。分兩種形式：人工傳授和機器自學習。
6.人機接口：完成計算機與專家或用戶的相互通訊過程。
7.繪圖機制（或稱繪圖子系統(tǒng)）：完成設計結果的圖形轉化過程。
8.高級語言接口：同其它高級語言的連接，調用CAD軟件包。
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