“啟智”專家系統(tǒng)外殼及其教學(xué)應(yīng)用

　　普通高中信息技術(shù)新課標(biāo)中設(shè)置了“人工智能初步”選修模塊，要求學(xué)生能夠利用簡易的專家系統(tǒng)外殼開發(fā)簡單的專家系統(tǒng)。國外對專家系統(tǒng)外殼的研究較為成熟，已經(jīng)在教育教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用。但是由于其對漢語規(guī)則的支持較差，系統(tǒng)的解釋程序與知識表達(dá)很難通過漢化來實現(xiàn)，不適合我國人工智能課程教學(xué)的開展。筆者針對這種情況，開發(fā)了一款適合于中小學(xué)使用的全中文專家系統(tǒng)外殼程序，將其命名為“啟智”專家系統(tǒng)外殼（以下簡稱為系統(tǒng)），可以滿足《人工智能初步》課程中專家系統(tǒng)模塊的教學(xué)要求。
　　
　　一、專家系統(tǒng)外殼的概念
　　
　　（一） 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
　　專家系統(tǒng)是一個(或一組)能在某特定領(lǐng)域內(nèi)，以人類專家水平去解決該領(lǐng)域中困難問題的計算機(jī)程序。專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由于實現(xiàn)技術(shù)不同而差別較大，一般均以MYCIN為代表的專家系統(tǒng)為原型，包括六個組成部分：知識庫、上下文(也稱全局?jǐn)?shù)據(jù)庫)、推理機(jī)、知識獲取機(jī)制、解釋機(jī)制和人機(jī)接口。
　　
　?。ǘ?專家系統(tǒng)外殼
　　專家系統(tǒng)外殼屬于專家系統(tǒng)開發(fā)工具，設(shè)計目的是為了解決專家系統(tǒng)的通用性，提高開發(fā)效益。開發(fā)專家系統(tǒng)外殼的關(guān)鍵問題是使知識表示方式與推理控制策略獨立于具體的問題領(lǐng)域。本文把推理機(jī)、解釋程序、人機(jī)接口和知識獲取程序等專家系統(tǒng)公共部分稱為專家系統(tǒng)外殼。這樣，把不同應(yīng)用領(lǐng)域的知識庫導(dǎo)入專家系統(tǒng)外殼即可形成相應(yīng)的專家系統(tǒng)。
　　
　　二、專家系統(tǒng)外殼的應(yīng)用
　　
　　本文以動物識別分類知識為例，闡述如何從領(lǐng)域?qū)＜耀@取知識，把知識成專家系統(tǒng)的表示形式，構(gòu)造動物識別專家系統(tǒng)知識庫，并在給定事實的情況下進(jìn)行推理。
　　
　?。ㄒ唬?獲取領(lǐng)域知識
　　1.如果該動物有毛發(fā)，那么該動物是哺乳動物。
　　2.如果該動物能產(chǎn)乳，那么該動物是哺乳動物。
　　3.如果該動物會吃肉，那么該動物是食肉動物。
　　4.如果該動物有犬齒，且該動物有爪子、眼視前方，那么該動物是食肉動物。
　　5.如果該動物是哺乳動物且該動物是食肉動物，顏色是黃褐色，有暗斑點，那么該動物是金錢豹。
　　6.如果該動物是哺乳動物且該動物是食肉動物，顏色是黃褐色，有黑色條紋，那么該動物是老虎。
　　
　?。ǘ?繪出推理網(wǎng)絡(luò)
　　繪制推理網(wǎng)絡(luò)有助于學(xué)生了解專家系統(tǒng)的推理機(jī)制和解釋機(jī)制。圖1中最高節(jié)點稱為假設(shè)或結(jié)論節(jié)點(這些節(jié)點沒有輸出弧線)，如金錢豹、老虎；中間節(jié)點（這些節(jié)點既有輸出弧線又有輸入弧線）稱為中間假設(shè)，如哺乳動物、食肉動物等；始端節(jié)點（這些節(jié)點沒有輸入弧線）稱為證據(jù)節(jié)點或事實節(jié)點。“→”表示推斷，有“”表示同時要有，即and的關(guān)系。
　　
　　
　?。ㄈ?編制知識庫
　　本系統(tǒng)支持人機(jī)界面和知識庫文本兩種方式編制知識庫。人機(jī)界面通過“數(shù)據(jù)管理”模塊（如圖2）實現(xiàn)，可以提供友好的人機(jī)接口并能對已有條件進(jìn)行自動錄入，比較適合中小學(xué)生使用；知識庫文本則按照一定的語法要求編制知識庫，這種方式比較適合專業(yè)開發(fā)人員使用。首先按語法要求編寫知識庫文本，再利用“系統(tǒng)維護(hù)”模塊下的“知識庫導(dǎo)入”功能導(dǎo)入系統(tǒng)。下面闡述一下動物識別專家系統(tǒng)語法的編制方法。
　　
　　動物識別專家系統(tǒng)語法
　　//動物識別專家系統(tǒng).txt
　　//以下為知識庫中全局變量
　　START-GLOBAL
　　KNOWLEDGE-BASE="動物識別專家系統(tǒng)"
　　DEFAULT-PATH="D:\\Images"
　　END-GLOBAL
　　//以下為知識庫中的規(guī)則
　　START-RULE
　　RULE [規(guī)則1] (CF=100%)
　　IF
　　[該動物有毛發(fā)]="真"
　　THEN
　　[該動物是哺乳動物]
　　……
　?。ㄊ÷砸?guī)則2至規(guī)則5）
　　……
　　RULE [規(guī)則6] (CF=100%)
　　IF
　　[該動物是哺乳動物]="真"
　　[該動物是食肉動物]="真"
　　[該動物的顏色是黃褐色]="真"
　　[該動物有黑色條紋]="真"
　　THEN
　　[該動物是老虎]
　　JPG="21.jpg"
　　WMV="21.wmv"
　　END-RULE
　　//以下為人機(jī)交互問題的選項
　　PROMPT-START
　　DEFAULT-CHOICE [真][假]
　　PROMPT-END
　　
　?。ㄋ模＜蚁到y(tǒng)外殼推理過程
　　“動物識別專家系統(tǒng)”知識庫編制完成后就可以運用這些知識進(jìn)行推理?，F(xiàn)以事實“能產(chǎn)乳”、“會吃肉”、“黃褐色”、“黑條紋”為例，具體了解一下專家系統(tǒng)的運行過程、推理機(jī)制以及解釋機(jī)制等。
　　本系統(tǒng)能同時支持多個知識庫，在推理之前應(yīng)首先在系統(tǒng)界面主菜單中依次選擇“運行”—“選擇知識庫”，設(shè)定需要運行的當(dāng)前知識庫。設(shè)定知識庫后選擇“運行專家系統(tǒng)”，就可以進(jìn)入專家系統(tǒng)推理界面。本系統(tǒng)采用逆向推理機(jī)制，將按照規(guī)則的存儲順序查找第一條最終結(jié)論規(guī)則，即首先假設(shè)動物為“金錢豹”，按照遞歸算法查找“金錢豹”的條件支持，從規(guī)則5可以看出，第一個條件“哺乳動物”為一中間結(jié)論，推理機(jī)將繼續(xù)尋找“哺乳動物”的條件支持。
　　專家系統(tǒng)在推理的每一個步驟中，將把用戶事實和相應(yīng)的選項存入上下文，推理機(jī)根據(jù)上下文中的動態(tài)內(nèi)容進(jìn)行推理，直至問題求解。系統(tǒng)問題一“該動物有毛發(fā)”，該問題與已知事實不匹配，因此選“假”，如圖3。問題二“該動物能產(chǎn)乳”，與已知事實相匹配，用戶應(yīng)該選擇“真”。推理機(jī)根據(jù)規(guī)則庫及上下文查找匹配規(guī)則，發(fā)現(xiàn)規(guī)則2與用戶的事實及選項相匹配，系統(tǒng)將把結(jié)論“該動物是哺乳動物”以及相應(yīng)的規(guī)則號加入上下文。結(jié)論“該動物是哺乳動物”為一中間結(jié)論，因此系統(tǒng)將繼續(xù)進(jìn)行推理。問題三“該動物會吃肉”將匹配規(guī)則3，并得到中間結(jié)論“該動物是食肉動物”。
　　
　　在交互過程中，用戶可以隨時點擊“為何”了解系統(tǒng)提問的原因。如問題“該動物會吃肉”，從系統(tǒng)給出的解釋可以看出，系統(tǒng)提問“該動物會吃肉”的目的是為了求解結(jié)論“該動物是金錢豹”。由于第一個子條件“該動物是哺乳動物”=“真”已經(jīng)得到滿足，并已加入上下文，那么系統(tǒng)將尋找第二個子條件“該動物是食肉動物”=“真”的支持。從規(guī)則3可以看出，“該動物會吃肉”=“真”將引出結(jié)論“該動物是食肉動物”=“真”。
　　問題四“該動物的顏色是黃褐色”與用戶事實相符，選擇選項“真”。問題五“該動物有暗斑點”與用戶事實不匹配，選擇選項“假”。問題六“該動物有黑色條紋”與用戶事實相匹配，選擇選項“真”。推理機(jī)根據(jù)規(guī)則庫及上下文中的事實進(jìn)行匹配，結(jié)果發(fā)現(xiàn)規(guī)則6與上下文中的事實相匹配，專家系統(tǒng)給出結(jié)論“該動物是老虎”。由于該結(jié)論是最終結(jié)論，因此系統(tǒng)結(jié)束推理過程并給出結(jié)論，如圖4。
　　
　　本系統(tǒng)采用路徑跟蹤法的解釋策略，在問題求解的同時，將推理所使用的知識自動記錄下來，并把相關(guān)規(guī)則或知識組織成解釋文本。系統(tǒng)推理結(jié)束后，用戶可以通過點擊“怎樣”來了解系統(tǒng)是采用怎樣的推理路徑導(dǎo)致當(dāng)前結(jié)論。圖5顯示結(jié)論“該動物是老虎”的推理路徑以及這個結(jié)論的可信度。
　　
　　
　　四、結(jié)論
　　
　　本軟件在Windows平臺下，采用C++ Builder 6.0作為開發(fā)工具，Access作為后臺數(shù)據(jù)庫開發(fā)完成。軟件安裝方便、人機(jī)界面友好、知識表示方法簡單易懂，人機(jī)界面的多媒體支持使得推理結(jié)論更加形象生動。本系統(tǒng)采用逆向推理控制策略，實現(xiàn)了基于可信度理論的不精確推理，適合中小學(xué)將其作為《人工智能初步》課程的教學(xué)輔助軟件使用。本文以動物識別分類知識為例，講解了如何利用“啟智”專家系統(tǒng)外殼程序構(gòu)造動物識別專家系統(tǒng)。本外殼程序也可以實現(xiàn)諸如農(nóng)作物病蟲害防治、動物疾病防治等基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]教育部.普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）（信息技術(shù)）.教育