電工實習輔助教學專家系統(tǒng)的構(gòu)建

張志剛 (安徽工程大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心；安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

郭興眾 (安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

電工實習輔助教學專家系統(tǒng)的構(gòu)建

張志剛 (安徽工程大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心；安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

郭興眾 (安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

針對電工實習知識的多樣性和學生實習需求的復雜性、指導教師單個指導效率低等問題，構(gòu)建了一種新的基于專家系統(tǒng)的輔助教學系統(tǒng)。分析了專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其意義，研究基于框架和產(chǎn)生式表示法相結(jié)合的知識表示，設(shè)計了相應(yīng)的知識庫，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫具體推理過程，詳細介紹了該專家系統(tǒng)的組成部分和設(shè)計思路。

專家系統(tǒng)；知識表示；知識庫；推理機；電工實習

在當今世界范圍內(nèi)，信息化社會的到來、人工智能的蓬勃發(fā)展正推動著高等學校教育改革[1]，數(shù)字化教室、電子黑板、教學專家系統(tǒng)、虛擬實驗室已成為教學活動中必不可少的一部分。2010年7月29日國家發(fā)布的《國家中長期教育發(fā)展規(guī)劃(2010～2020)》對教育信息化提出了目標要求。電工實習作為工程訓練的一項內(nèi)容，每年承擔著大量學生實習任務(wù)。因?qū)W生的背景知識個體差異和實習過程中出現(xiàn)問題的多樣性，教師的指導工作繁重而又達不到效果，利用專家系統(tǒng)則能夠促使學生自主學習、主動解決問題、擴大知識面、完善知識體系，減輕教師負擔。為此，筆者研究了一種新的基于專家系統(tǒng)的輔助教學系統(tǒng)。

1 電工實習輔助教學專家系統(tǒng)的組成

圖1 電工實習輔助教學專家系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖

電工實習輔助教學專家系統(tǒng)包括人機接口、數(shù)據(jù)庫、知識庫及知識獲取模塊、推理機、解釋模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電工實習輔助教學專家的知識內(nèi)容主要包括3部分：實訓內(nèi)容的分解分析、故障排除及原因分析、實習標準、評分標準等；拓展的行業(yè)、工程規(guī)范、電工工藝、安全用電等內(nèi)容；根據(jù)實訓內(nèi)容引出的在實際工程中的具體應(yīng)用實例。該專家系統(tǒng)對教學有多方面意義與促進作用：①培養(yǎng)學生的自學能力，擴大學生的知識面；②彌補教學硬件不足，為學生完善知識體系提供幫助；③能夠提高教師輔導學生實習的效率，減輕教師的負擔；④提供友好靈活的人機界面，引導經(jīng)驗尚缺的學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題；⑤為工程訓練其他工種教學改革提供借鑒，為工程訓練基地的信息化建設(shè)做有益探索。

2 知識庫的建立和管理

1)知識獲取 知識獲取是指從領(lǐng)域?qū)＜姨幓驖撛诘闹R源(包括專家、書本、數(shù)據(jù)庫以及人們的經(jīng)驗等)獲取領(lǐng)域知識，經(jīng)識別、理解、篩選、歸納等步驟，并以某種形式在計算機中存儲、傳輸和轉(zhuǎn)移[2]。電工實習輔助專家系統(tǒng)的知識獲取過程，即是對電工領(lǐng)域知識的獲取過程，獲取過程是按照描述、觀察、獲取的次序進行:①描述。知識工程師和多個指導教師交互，提出電工實習知識在該系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)化描述。②觀察。知識工程師在不妨礙指導教師工作的前提下，在實習環(huán)境中觀察指導教師指導學生方法和步驟。③獲取。在知識工程師和指導教師相互交流中能得到一些關(guān)鍵性的解題形式評價，使得工程師能夠?qū)λ枰碾姽ぶR進行交互性的搜索。

系統(tǒng)的電工知識獲取是被動式獲取，知識工程師與電工專家的知識結(jié)構(gòu)化處理完成后，需要建立知識獲取模塊進行知識獲取工作，其過程如圖2所示。

圖2 電工實習輔助教學專家系統(tǒng)知識獲取過程

2)知識表示 電工實習領(lǐng)域中，其知識點一般具有經(jīng)驗性、因果性的特點，因此適用于產(chǎn)生式表示?？蚣苁且环N描述所論對象(一個事物、一個事件或一個概念)屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個框架由若干個被稱為“槽”的結(jié)構(gòu)組成，每一個“槽”又可根據(jù)實際情況劃分為若干個“側(cè)面”。一個槽用于描述所論對象某一方面的屬性，一個側(cè)面用于描述相應(yīng)屬性的一個方面。槽和側(cè)面所具有的屬性分別稱為槽值和側(cè)面值。無論對于框架、槽或側(cè)面，都可以附加一些說明性的信息，一般是指一些約束條件[3]。教學系統(tǒng)中的專家知識結(jié)構(gòu)具有良好的層次性和模塊化特點，適用于框架表示法。為充分表示實習單元的各種結(jié)構(gòu)關(guān)系和內(nèi)容，采用框架表示法與產(chǎn)生式表示法相結(jié)合。對不同實習單元知識結(jié)構(gòu)采用框架去定義建立，對單元的具體知識點采用產(chǎn)生式表示法去實現(xiàn)。

結(jié)合框架式與產(chǎn)生式表示法，可將電工實習中的知識提煉歸納出來。在電工實習教學中，將每一次電工實習課程作為一個單元。在單元下，將單元名作為框架名，單元中所遇到的問題分類作為一個個槽點，槽點中又分為一個個側(cè)面，這些側(cè)面所包含的知識就是電工實習中所遇到的具體問題。運用的這種混合型的知識表達舉例(電機正反轉(zhuǎn)實習單元知識)如表1所示。

表1 電機正反轉(zhuǎn)實習單元知識表示

3)知識庫的建立和維護 知識庫用于存放求解問題域的知識，是推理機賴以思維的知識集合，知識庫中擁有知識的多少及知識的質(zhì)量決定了一個專家系統(tǒng)所具有解決問題的能力。通過對電工實習知識的研究，學生需要的知識可分為事實性知識和推理性知識：事實性知識如操作規(guī)程、電工工藝、設(shè)備管理、工具使用、應(yīng)用舉例等，這部分知識供學生檢索學習用；推理性知識如故障分析、原理圖分解、特殊問題分析等，用以指導學生排查故障，分析問題。根據(jù)實習單元和知識結(jié)構(gòu)的劃分，設(shè)計了該系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)表，下面每個表格代表數(shù)據(jù)庫中的一張表(見表2～4)。在數(shù)據(jù)庫中，知識以表格的形式表現(xiàn)，以4位數(shù)字作為ID編碼，如0322號問題指的是框架3“電機正反轉(zhuǎn)控制”的槽點2“故障分析槽”中的側(cè)面22的知識“IF接觸器無動作Then核查控制電路，電源，熔斷器”。這種表示方式可以使知識更加層次化、結(jié)構(gòu)化，提高了知識庫的效率。

建立初始知識庫操作可直接在數(shù)據(jù)表上進行，對知識庫的管理采用直接修改數(shù)據(jù)表和使用應(yīng)用程序操作數(shù)據(jù)庫2種方法相結(jié)合來實現(xiàn)，包括3種基本操作：知識庫的添加、修改和刪除。

表2 數(shù)據(jù)庫中框架模塊知識表

表3 關(guān)于電機正反轉(zhuǎn)控制框架中槽模塊知識表

表4 關(guān)于故障分析槽中側(cè)面模塊知識表

3 推理機

推理就是模擬人工專家的思維，從一個結(jié)論得出另一個結(jié)論的過程[4]。通過對電工實習知識的研究，其可分為供學生自學的事實性知識和供學生解決問題的故障知識。將這2部分知識都制成表的形式存在數(shù)據(jù)庫中，專家系統(tǒng)應(yīng)用時只是進行數(shù)據(jù)搜索，以提高專家系統(tǒng)應(yīng)用時的效率[5]。當有新知識增加時，更新對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

專家系統(tǒng)考慮到學生經(jīng)驗尚缺，描述故障現(xiàn)象和事實性知識標題的不確切，結(jié)合框架知識表示，將推理過程設(shè)計分步提示加數(shù)據(jù)搜索模式，具體步驟如下：①學生根據(jù)提示選擇實習單元；②根據(jù)提示選擇實習模塊；③學生輸入搜索信息；④打開相應(yīng)數(shù)據(jù)庫；⑤查找原因和結(jié)果，若沒有查到正確結(jié)果則轉(zhuǎn)⑦；⑥輸出相關(guān)信息；⑦系統(tǒng)無法解決此問題，請求人工輸入原因和結(jié)果，并將其記入后備知識庫表，向相關(guān)用戶發(fā)送有新知識出現(xiàn)消息，若繼續(xù)查找則轉(zhuǎn)③；否則，結(jié)束。

4 解釋模塊和人機接口模塊

1)解釋模塊 專家系統(tǒng)的解釋內(nèi)容主要是解釋如何推斷結(jié)論；回答用戶的提問；使用戶了解推理過程及推理過程所運用的知識和數(shù)據(jù)。專家系統(tǒng)采用預(yù)制文本解釋法。在設(shè)計專家系統(tǒng)時，預(yù)先估計各種可能需要解釋的問題，比如安全用電技術(shù)措施、故障排除用到的分析原理知識等，其解釋內(nèi)容以文本的形式插入程序代碼中。當學生輸入帶解釋的語句時，系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)為相應(yīng)的代碼，然后再根據(jù)這個代碼將相應(yīng)的解釋信息顯示給學生。

2)人機接口模塊 為了使學生能夠得到方便、清晰及實用的用戶界面，系統(tǒng)將開發(fā)良好的交互式輸入、修改及查詢數(shù)據(jù)庫和快捷搜索作為開發(fā)人機接口的目標。在數(shù)據(jù)庫管理方面，采用窗口式輸入、輸出和查詢形式，并能以表格的形式打印出來。增加快捷按鈕，針對學生應(yīng)用頻率高的內(nèi)容，比如安全用電、評分標準、宣傳視頻等，以按鈕形式直接呈現(xiàn)在界面上。

[1]蔡自興,徐光佑.人工智能及其應(yīng)用[M].北京:清華大學出版社,2004:10-11.

[2] 吳信東.專家系統(tǒng)設(shè)計[M].合肥:中國科技大學出版社,1990:39-44.

[3]沈亞誠，舒忠梅.基于框架和產(chǎn)生式表示法的病例和知識庫研究[J].南方醫(yī)科大學學報，2006,26(10):1467-1468.

[4]溫斯頓 P H.人工智能[M].北京：科學出版社,2000:121-123.

[5]王小軍,周昌盛,呂漢興.一種基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的知識表示和推理方法[J].控制工程，2005,12(1):41-43.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.031

TP273

A

1673-1409(2012)02-N095-03

2011-10-17

安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2008A21ZC)；安徽工程大學青年科研基金資助項目(2010YQ051)。

張志剛(1970-)，男，1995年大學畢業(yè)，工程師，碩士生，現(xiàn)主要從事工程訓練方面的研究工作。